Die physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre [4. verbesserte Auflage, Reprint 2022] 9783112677506, 9783112677490

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Weyres und Brandt

Die physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre

Die Physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre von

Dr. T. Wehres Major im Reichsluftfahrtministerium

Dr. O. Brandt Leiter der Abteilung 1 Physik der Staatlichen Lauptstelle für den naturwissenschaftlichen Unterricht

Mit 277 Abbildungen 4. verbesserte Auflage

Verlag Walter de Gruyter & Co., Berlin vormals G. I. Göschen'sche Verlagshandlung — I. Guttentag, Verlagsbuchhandlung Georg Reimer — Karl I. Trübner — Veit & Comp.

Alle Rechte, insbesondere das Äbersetzungsrecht, von der Verlagsbuchhandlung vorbehalten Copyright 1941 by Walter de Gruyter & Co., Berlin Archiv-Nr. 527041 Druck von Fischer & Wittig in Leipzig Printed in Germany

Vorwort zur ’L Auflage Die gesamte Wehrmacht stellt durch die gewaltige Eingliederung der Tech­ nik in ihre Kampfmittel an den einzelnen Soldaten Anforderungen, die nur durch lange und gründliche Ausbildung voll und ganz erfüllt werden können. Insbesondere für die vielseitigen Anwendungen von elektrischen Vorgängen und Geräten werden Kenntnisse verlangt, die bei der Kürze der Ausbildungs­ zeit nur sehr schwer in das Wissen übergehen, wenn nicht durch eine Einschrän­ kung auf das Notwendigste und eine eindringlich klare Methode Stoff und Form bewältigt werden. Daraus ergeben-sich folgende Forderungen: Entwicklung und Klarstellung der Begriffe auf einfachste und eindring­ lichste Art. Leicht verständliche Darstellung der Erscheinungen und Gesetzmäßigkei­ ten der elektrischen Vorgänge unter Berücksichtigung der praktischen An­ wendung im täglichen Leben. Einheitlichkeit in der Darstellungsweise von Bild, Zeichnungen und Sym­ bolen in Übereinstimmung mit Technik und Wissenschaft. Einführung in

Lesen und Verstehen einfacher Schaltungen, soweit sie als Bausteine

füreinespätereSonderausbildungin Frage kommen. Lier soll das vorliegende Buch eingreifen und die physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre in einer Form behandeln, die in Einfachheit, Klarheit und Sauberkeit des Ausdruckes den neuesten Erkenntnissen und Anschauungen voll Rechnung trägt. Deswegen muß das Buch gleich Abstand halten von den vielen volkstümlichen Darstellungen und den Lehrbüchern, die bereits man­ ches technische und physikalische Können und Wissen voraussehen.

Es wird Wert darauf gelegt, daß die physikalischen Gegebenheiten in einer Form gebracht werden, die keinen Anspruch an vorher erlerntes Wiffen stellt. Mathematisches Formulieren und technisches Beiwerk werden gänzlich ver­ mieden. Grundsatz bleibt trotz aller Einfachheit die unbedingte Richtigkeit des Inhalts. Da es nicht genügt, die Zusammenhänge und Begriffe nur zu ver­ stehen, um sie bald wieder zu vergessen, sind die Ergebnisse im Text in kurzer

einprägsamer Fassung herausgesteüt und auch äußerlich hervorgehoben. Diese Begriffserläuterungen werden am Ende eines jeden Abschnittes zusammenge-

VI faßt, so daß sie sich sicher einprägen und die spätere Ausbildung darauf auf­ gebaut werden kann. Ein weiterer Zweck des Buches ist, der vormilitärischen Ausbildung durch 553., NSFK. und SA. ein Lilfsmittel zu bieten, das diese Ausbildung in eine einheitliche Linie bringt. So wird es bald möglich sein, daß der militä­ rische Nachwuchs eine festumrissene Anfangsausbildung in der Elektrizitäts­ lehre mitbringt, die die Ausbildungszeit verkürzt und eine einheitliche Grundlage für alle Teile der Sonderausbildung gibt. Die Erfahrung zeigt, daß die physikalischen Grundlagen der Elektrizitäts­ lehre von den verschiedensten Standpunkten aus behandelt werden können. Der eine Lehrer beginnt mit dem Bernstein und dem geriebenen Glasstab, der andere mit den Elektronenbahnen und ihren Gesetzen, der dritte wieder mit der Taschenlampenbatterie oder der Steckdose des Wechselstromnehes, der vierte entwickelt die Gesetzmäßigkeiten mit mathematischen Formeln und Be­ rechnungen, während wieder ein anderer die reine technische Praxis ohne jede Begriffserläuterung bringt.

Das vorliegende Buch hat den elektrischen Strom an den Anfang gestellt. Damit ist die beste Anknüpfung an die Erfahrungen des täglichen Lebens ge­ geben. Von vornherein werden die Elektronen eingeführt. Am den wissenschaft­ lichen Tatsachen und ihren Forderungen gerecht zu werden, kann man heute nicht mehr umhin, den Elektronenstrom in der Richtung von Minus nach Plus eingehend zu behandeln. Es ist aber dafür gesorgt, daß keine Verwirrung entstehen kann, wenn die andere Auffassung des Stromlaufes von Plus nach Minus, die heute noch in der Elektrotechnik maßgebend ist, später in der technischen Praxis auftritt.

Das Buch enthält außer klarem, übersichtlichem Bildmaterial Linweise zu Anleitungen für viele einfache Versuche, die jeweils durch [] mit entsprechender Ziffer gekennzeichnet sind. Diese Lin weise beziehen sich auf das in dem gleichen Verlage er­ schienene Buch

Versuche zu den „Physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre". Es bietet eine Landhabe für den Aufbau und die Durchführung der Versuche und regt zu weiteren Versuchen an. Das dazu erforderliche Gerät ist zu einem Gerätesah zusammengestellt, der von den Physikalischen Werkstätten, Göttingen, geliefert wird.

Berlin, Mai 1941.

Die Verfasser.

Gliederung I. Strom - Spannung - Widerstand Seite

1. Elektrischer Strom: Elektronen, Stromkreis, Gleich- und Wechselstrom, Stromstärke, Ampere, Stromverzweigung, Schalter, Schaltzeichen, Lesen von Schaltplänen, Richtung des elektrischen Stromes .............................................................................................

1

2. Spannung: Wesen der Spannung, Volt, Spannungsmeffung, Spannungserhöhung, Abhängigkeit zwischen Spannung und Strom­ stärke ...................................................................................................

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3. Widerstand: Begriffserläuterungen, Ohm, Widerstand und Leitfähigkeit, Abhängigkeit zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand, technische Formen der Widerstände (Mikrophon, Schiebewiderstand, Kurbelwiderstand), Schaltung von Widerständen, Spannungsteiler.................................................................................

21

4. Leitung des elektrischen Stromes: Feste Körper, Flüs­ sigkeiten, Erde als Leiter, der menschliche Körper als Leiter, Gase als Leiter, Funkenüberschlag, Glimmlampen.................................. 5. Watt, Kilowatt, Kilowattstunde ...................................................

30 40

6. Ladung und elektrisches Feld: Kräfte zwischen den La­ dungen, Feld, Feldlinien....................................................................

42

7. Kondensator: Wirkungsweise, Kapazität, Schaltung von Kon­ densatoren, Kondensator im Gleich- und Wechselstromkreis, technische Ausführungsformen...........................................................................

44

II. Wirkungen -es elektrischen Stromes und ihre technischen Anwendungen 8. Wärmewirkungen des Stromes: Schmelzsicherungen, Elektrowärme, Lichtbogen (Elektro-Ofen und Schweißverfahren), Glühlampe und ihre Schaltungen, Litzdrahtamperemeter..............

52

VIII

Seite

9. Chemische Wirkungen des Stromes: Elektrolyse, Ka­ thode, Anode, Ionen, Anwendungen in der Technik (Galvanopla­ stik, Metall- und Schuhüberzüge) ...................................................

61

10. Stromquellen: Galvanische Elemente und Batterien, Blei­ sammler, Stahlsammler, Pflege und Behandlung der Sammler .

64

11. Magnetismus: Grunderscheinungen, Dauermagnete, Kompaß, Magnetisieren, magnetisches Feld, Erdfeld.......................

72

12. Magnetische Wirkungen des Stromes: Magnetfeld des Stromes, Elektromagnet, technische Anwendungen (Fernhörer, Morseschreiber, Selbstunterbrecher, Klingel, Schütz)

77

13. Meßinstrumente und ihre Schaltung, Dreheiseninstrument, Drehspulinstrument, Meßbereiche....................................................... 14. Induktion: Zusammenhang zwischen Magnetfeld, Bewegung und Strom, Induktionsspannung, Induktion zwischen Spulen, Kopp­ lung, Funkeninduktor, Wirbelströme................................................

87

93

15. Selbstinduktion: Wesen der Selbstinduktion, Selbstinduktion bei Schaltvorgängen............................................................................ 98 16. Wechselstrom: Frequenz, Wechselstromkurve, Stromstärke und Spannung, Vorgänge im Wechselstromkreis, induktiver und kapa­ zitiver Widerstand, elektrische Weiche ............................................... 102 17. Generatoren und Motoren: Wechselstromgenerator, Gleichstromgenerator, Selbsterregung, Feldschaltungen, Motoren, Amformer und Stromrichter................................................................. 109 18. Transformatoren: Umspanner, Hochspannung, Lochstrom (Induktionsschmelzofen, Schweißverfahren), Spartransformator, Fernleitung der Energie........................ 117

III. Elektronenröhre 19. Zweipolröhre: Entstehung des Elektronenstroms, Röhre als Gleichrichter............................................................................................125

20. Dreipolröhre: Wirkungsweise des Gitters, Kennlinie, Arbeits­ punkt, Verstärkung, Anwendung in Fernsprech- und Funktechnik . 130

IV. Anhang 21. Schaltzeichen, soweit sie im Buche verwendet werden . . . 134 22. Namen- und Sachverzeichnis................................................136

I. Strom - Spannung - Widerstand 1. Der elektrische Strom Elektronen

Im Leben des Menschen spielt heute die Elektrizität eine so wichtige Rolle und der Gebrauch elektrischer Geräte ist allgemein so verbreitet, daß jedem auch eine Reihe von Begriffen bekannt ist. Man spricht von elektrischem Strom, der durch die Glühlampe fließt, oon Spannung, die an der Steckdose liegt, von Kilowattstunden, die bezahlt werden müssen, ohne allerdings in den meisten Fällen eine eindeutige Vorstellung der elektrischen Vorgänge und Begriffe zu haben, mit denen in der Technik und in der Wissenschaft diese Bezeichnungen verbunden sind. Im täg­ lichen Leben ist das auch nicht unbedingt notwendig. Für denjenigen aber, der sich mit Erscheinungen und Anwen­ dungen der Elektrizität näher befassen muh, ist eine sichere Erfassung undKenntnis der elektrischen Grund­ begriffe unbedingt erforderlich. Ein Eindringen in das Gebiet der Elektrizitätslehre wird da­ durch erschwert, daß die Elektrizität mit keinem unserer fünf Sinne unmittelbar wahrnehmbar ist. Einen Wasserstrom kann man sehen. Der Draht, durch den der elektrische Strom flieht, ist dagegen nicht hohl, wie eine Wasserleitung und von irgend etwas Fließendem ist auf und in ihm nichts zu merken. Der Strom bringt aber gewisse Wirkungen hervor, an denen er zu erkennen ist. Ein durch die Glühlampe fließender Strom kann sie zum Leuchten bringen. Eine Glühlampe ist also ein einfaches Anzeigegerät für elektrischen Strom. Außerdem bewirkt der elektrische Strom noch viele andere Er­ scheinungen. Er erwärmt zum Beispiel die elektrischen Heizgeräte, setzt das Meßwerk des elektrischen Zählers in Bewegung und treibt einen Elektromotor. 1 Weyres-Brandt, Elettrizitätslehre

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Abb. 1. Schematische Dar­ stellung der Atome (große Kreise) und der zwischen ihnen beweglichen Elektro­ nen (schwarze Punkte). Die wirklichen Größenverhält­ nisse werden durch die Zeich­ nungen 1 bis 4 nicht wieder­ gegeben.

Abb. 2. In einer Richtung wandernde Elektronen bilden einen elektrischen Strom.

Abb. 3. Körper mit Elektronenmangel.

WK? Abb. 4. Körper mit Elektronenüberschuß.

Was ist elektrischer Strom? Die Wissen­ schaft hat lange Zeit keine Antwort daraus geben können, was das unsichtbare Etwas ist, das sich Elektrizität nennt. Heute ist auch dies Gebiet erforscht. So wie ein Menschenstrom durch die gemeinsame Be­ wegung vieler Menschen entsteht, so wird der elektrische Strom durch die Bewegung elektrischer Körperchen, der Elektronen, ge­ bildet. Jeder Stofs setzt sich aus kleinsten Teil­ chen, die Atome heißen, zusammen. So be­ steht Kupfer aus Kupferatomen, Eisen aus Eisenatomen. Die Atome bilden häufig unter sich oder mit Atomen anderer Stoffe zusam­ men besondere, zusammengesetzte Atomgrup­ pen, die man Moleküle nennt. Die Atome sind unsichtbar klein und ebenso klein und unsichtbar sind auch die Lücken zwischen den einzelnen Atomen, daher erscheint uns ein Draht äußerlich lückenlos zusammen­ hängend. Die Elektronen selbst sind aber noch viel kleiner als die Atome. Sie stammen aus den Atomen und sind Bausteine derselben. Elektronen gibt es also überall. In Metall, in Holz, in Wasser, in Erde, in Luft, in allen Stoffen sind sie in großer Zahl vorhanden (Wb. 1). Nun besteht aber zwischen den verschie­ denen Stoffen ein wesentlicher Unterschied. Diejenigen Stoffe, in denen sich die Elek­ tronen bewegen können (Abb. 2), nennt man Leiter. Sie leiten den Strom. Beson­ ders Kupfer ist dazu vorzüglich geeignet und wird daher vorwiegend zur Herstellung der Leitungen benutzt. In Holz, Glas, Porzellan, Gummi und vielen anderen Stoffen dagegen haben die Elektronen nur sehr geringe oder gar keine

3 Bewegungsfreiheit. In ihnen kann mithin auch kein Strom flie­ ßen. Stoffe, die sich so verhalten, heißen Nichtleiter (Isolatoren). Durch besondere Mittel, die später beschrieben werden, kann man dem Leiter einen Teil der Elektronen entziehen. Es herrscht in ihm dann Elektronenmangel (Abb. 3). Man kann ihm aber auch mehr Elektronen zusühren, als er normalerweise enthält. Es herrscht in ihm dann Elektronenüberschutz (Abb. 4).

Der Stromkreis

Eine Steckdose, die mit den Elektrizität erzeugenden Maschinen des Elektrizitätswerkes verbunden ist, hat zwei Anschlußstellen. Man nennt sie Pole. Wird eine Glühlampe durch zwei Leitungs­ drähte mit ihnen verbunden, so glüht sie aus. Es fließt also ein Strom (Abb. 5). [i]

Abb. 5. Anschatten einer Glühlampe an die Steckdose.

Abb.Iu. Schaltzeichen für Steckdose.

Abb.6. Weg des elektrischenStromes durch eine Glühlampe.

Abb.6u. Schalt­ Zeichen für eine Glühlampe.

Den Weg, den er durch die Lampe nimmt, erkennt man aus Abb. 6. Da die Steckdose Strom liefert, nennt man sie eine Stromquelle. Auch der „Sammler" hat zwei Anschlußstellen (Klemmen). Er bringt ebenfalls eine Lampe zum Leuchten, ist also auch eine Stromquelle (Abb. 7). [2]

Ab* Abb. 7. Anshalten der Lampe an einen Sammler.

Abb 8. Schaltzeichen einer Gleichstromquelle

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Weitere bekannte Stromquellen sind die Taschenlampenbatterie und die Anodenbatterie. Die beiden Pole der Stromquellen sind nicht gleich­ artig. Das erkennt man schon an den Aufschriften an den Klemmen des Sammlers. Der eine ist mit einem Minuszeichen, der andere mit einem Pluszeichen gekennzeichnet. Die Verschiedenartigkeit läßt sich aber auch aus anderem Wege seststellen. Berührt man z. B. ein angeseuchtetes Stückchen P o l prüspapier gleichzeitig an zwei benachbarten Stellen mit den Enden zweier Drähte, deren einer am Minuspol und deren an­ derer am Pluspol angeschlossen ist, so bemerkt man an der einen Berührungsstelle^aus dem Papier eine Rotfärbung. Sie zeigt sich unter dem Drahtende, das vom Minuspol herkommt. An der Zweiten Berührungsstelle zeigt sich nichts. [3] Wie man heute weiß, besteht die Verschiedenartigkeit der Pole in elektrischer Hinsicht darin, daß auf dem Minuspol Elektronen­ überschutz, auf dem Pluspol dagegen Elektronenmangel herrscht. Wird zwischen den beiden Polen eine leitende Verbindung her­ gestellt, dann fließen die Elektronen von dem Pol mit Elektronen­ überschuß zum Pol mit Elektronenmangel hinüber. Eine Verbin­ dung der Pole mit einem Bindfaden oder einem Holzstab hat da­ gegen keinen Strom zur Folge, denn diese sind Nichtleiter. Werd en Pluspol undMinuspol durch einenLeiter verbunden, so fließt durch ihn ein Strom.

Die Rolle der Stromquelle ist die einer „Elektronen­ pumpe". Sie drückt Elektronen aus den Minuspol und schafft sie vom Pluspol weg. Der Minuspol ist also der Quellpol der Elektronen. Genau so drückt eine Wasserpumpe (Abb. 9) das Wasser aus der einen Seite in die Leitung hinein und saugt es auf der anderen ab. Es fließt von der Pumpe durch die Leitung wieder zur Pumpe. Da es zum Ausgangs­ punkt zurückkehrt, hat man dafür den Namen „Kreislauf des Wassers" geprägt. Einen solchen Kreislauf durchwandern auch die Elektronen, wenn sie von der

5 Stromquelle ausgehen, durch die Hinlei­ tung zur Lampe fließen und durch die Rückleitung wieder zurückkehren. Stromquelle, Hinleitung, Glühlampe und Rückleitung bilden einen Strom­ kreis (Abb. 10).

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—lhAbb. 10. Schaltplan eines Stromkreises mit Stromquelle und Glühlampe,

Die Elektronen wandern im Leiter sehr langsam. Wie kommt es aber, daß die elektrische Lampe sofort ausglüht, wenn am Lichtschalter der Strom eingeschaltet wird? Dies geschieht sogar, wenn Licht­ schalter und Lampe sehr weit voneinander entfernt sind. An einem Beispiel läßt sich der Vorgang verständlich machen: Eine Kolonne hält auf einer Straße. Jetzt kommt von hinten durch ein Signal der Befehl „Weitermarschieren!" Die Kolonne setzt sich sofort in Bewegung. Genau so ist es mit den Elektronen im Draht. Der Bewe­ gungsantrieb, der die Elektronen in Bewegung setzt, wird sehr schnell weitergegeben, er legt in der Sekunde die unvorstell­ bare Strecke von 300 000 Kilometern zurück.

Gleich- und Wechselstrom Beim Kauf elektrischer Geräte, z. B. eines Rundfunkempfängers, wird zunächst ge­ fragt, welche Stromart im Hause ist, ob Gleich- oder Wechselstrom. Der Unterschied der beiden Stromarten wird schon durch den Namen angedeutet. Abb. 11. Wenn der Kolben Bei Gleichstrom wandern die Elektronen hin- und hergeht, ändert der Wasserstrom in der Leitung immer gleichmäßig in derselben Richtung, dauernd seine Richtung. ähnlich wie das Wasser in der Wasserleitung Wechselstrom! oder das Gas in der Gasleitung. Man kann aber auch die Elektronen in einer Leitung hin- und herschicken, etwa wie man Wasser in einer Leitung (Abb. 11) durch einen Kolben hin- und herbewegen kann. So entsteht ein Wechselstrom. Die beiden Pole wechseln dauernd ihre Rolle, und die Elektronen wandern während eines Augenblickes in der einen und im nächsten Augenblick in der andern Richtung.

6 Dieser Richtungswechsel kann in der Sekunde viele Male er­ folgen. / Der Wechselstrom des Elektrizitätswerkes fließt in der Sekunde fünfzigmal hin und her, wechselt also hundertmal seine Richtung. Es gibt Wechselströme, bei denen dies in der Sekunde viele Mil­ lionen Male geschieht.

Das Schaltzeichen für Gleichstrom ist —, für Wechselstrom

Stromstärke

Ein Maß für dis-Stärke des Menschenstromes in einer Straße kann man erhalten, wenn man die Leute zählt, die in der Minute vorübergehen. Genau so könnte man die Stärke des elektrischen Stromes durch die Zahl der Elektronen bestimmen, die in der Minute oder Sekunde an einer Stelle des Drahtes vorbeilausen. Diese Art der Stromstärkemessung wäre allerdings sehr un­ bequem, weil die Zahl der vorbeiwandernden Elektronen sehr groß ist. Sie ist zudem auch praktisch unmöglich, weil man die ein­ zelnen Elektronen nicht sehen kann.

Der elektrische Strom bringt aber bestimmte meßbare Wir­ kungen hervor, die an geeigneten Meßgeräten beobachtet werden können. Solche Meßgeräte werden zur Messung der Stromstärke benutzt. Zur Messung benötigt man außer dem Meßgerät eine Maß­ einheit. Wie man als Maßeinheit der Länge das Meter oder als Maßeinheit des Gewichtes das Kilogramm festgelegt hat, so hat man als Einheit der Stromstärke das Ampere gewählt. Die Einheit ist zu Ehren eines französischen Physikers Ampere benannt worden. Abgekürzt wird Ampere mit A; 10 A wird also gelesen: 10 Ampere. Für schwache Ströme ist das Ampere unpraktisch. Sie werden deshalb in Milliampere (mA) angegeben. (1000 Milliampere sind 1 Ampere). Man mißt ja auch kleine Gegenstände in Millimeter statt in Meter.

7 Übersicht über Stromstärken Straßenbahn....................etwa 100 A Glühlampe.......................etwa 0,1—0,3 A Taschenlampe....... etwa 0,2 A Kopfhörer......................... etwa 0,01 mA Die Geräte zur Strommessung heißen Amperemeter. Wenn durch ein Ampere­ meter ein Strom fließt, so zeigt der Zeiger aus der Teilung die Stromstärke in Ampere an (Abb. 12). Abb. 12. Schaltbild eines Amperemeters. Wie es verschiedene Sor­ ten von Maßstäben gibt, die verschiedene Metzbereiche haben (Bandmaß von 20 m, Metermaß von lm), so gibt es auch Am­ peremeter mit verschiedenen Meßbereichen. Mit einem Ampere­ meter, das den Meßbereich 0—500 mA hat, darf man nicht etwa einen Strom von 5 A messen wollen. Umgekehrt ist ein Ampere­ meter vom Meßbereich 0—10 A ungeeignet zur Messung eines kleinen Stromes von vielleicht 10 mA. Der Meßbereich des Amperemeters muß der zu messenden Stromstärke angepaßt sein. Um nicht verschiedene Geräte benutzen zu müssen, hat man heute auch Amperemeter gebaut, deren Meßbereich durch geeignete Vor­ richtungenverändert werden kann. (Vgl. S. 91.) Abb. 13. Stromkreis mit Sammler,

Grundsatz bei Strommessungen Glühlampe und Strommesser. ist, daß zuerst der größte Meßbereich eingeschaltet wird, damit die Geräte keinen Schaden leiden. Um die Stromstärke zu messen, wird das Amperemeter in den Stromkreis „geschaltet", wie Abb. 13 zeigt. [4] In der Fachsprache nennt man das Zusammensetzen von elektrischen Lei­ tungen und Geräten kurz „schaltens so wie man das Zusammensetzen von Bau­ steinen „bauen" nennt. Den fertigen Zusammenbau der Geräte und Leitungen nennt man eine „Schaltung". Das Wort schalten wird aber auch noch in einem anderen Sinne gebraucht. Man spricht von Einschalten oder Ausschalten, wenn man durch einen „Schalter" einen Strom schließt oder öffnet.

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Schaltet man jetzt ein Amperemeter in die Hinleitung und ein zweites in die Rückleitung (Abb. 14), so zeigen beide denselben Ausschlag. [5] Die Stromstärke ist im ganzen unverzweigten Stromkreis die­ selbe. Es ist verständlich, daß ebensoviele Elektronen durch die Rück­ leitung zurückfließen müssen wie durch die Hinleitung zufliehen, da sich sonst die Elektronen an einer Stelle stauen würden.

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Abb. 142. Amperemeter in der Hinund Rückleitung.

Abb. 14 b. Schaltplan zu Abb. 14».

Stromverzweigung

Eine Wasserleitung verzweigt sich häufig in mehrere Leitungen, um verschiedene Stellen mit Wasser versorgen zu können. Auch eine elektrische Leitung kann verzweigt werden. Abb. 15 zeigt zwei Glühlampen, die nebeneinandergeschaltet sind (Parallelschaltung). [6]

9 Im Punkt A verzweigt sich der Strom. Ein Teil des Stromes fließt durch I, ein Teil durch II. In B vereinigen sich beide Ströme wieder. Mißt man die Stromstärke vor dem Punkte A in der Leitung und in jeder der beiden Zweigleitungen, so findet man, daß die Stromstärke im unverzweigten Abb. 15b. Teil so groß ist wie die Summe der Schaltplan für Parallel­ Stromstärken in den Zweigen. schaltung der Glühlampen.

Schalter

Eine marschierende Kolonne wird durch eine Schranke zum Halten gebracht. Die Straße ist gesperrt. Der Weg der wan­ dernden Elektronen kann ge­ sperrt werden, indem man die Lei­ tung unterbricht. Zwischen den Drahtenden befindet sich dann Lust, also ein Nichtleiter: der Stromkreis ist „geöffnet". Wird die metallische Verbin­ dung an der Stelle wieder her­ gestellt, so wird der Stromkreis „geschlossen". Schalter öffnet und schließt Um das öffnen und Schließen Abb. 16. Derden Stromkreis. eines Stromkreises nach Bedarf vornehmen zu können, wird in die Leitung ein Schalter ge­ legt (Abb. 16). Abb. 17a zeigt einen „Hebelschalter". Ist er ausgeschaltet, so ist der Stromkreis geöffnet, der Strom unterbrochen. Wird der Hebel heruntergedrückt und eingeschaltet, so ist der Stromkreis geschlossen, der Strom fließt. Ost ist es erforderlich, das Ein- und Ausschalten gleichzeitig für die Hin- und Rückleitung durchzusühren. Dieses geschieht durch einen zweipoligen Schalter (Abb. 17b). Es gibt auch noch andere Bauarten für Schalter. Wb. 18a und b zeigt einen Drehschalter. Durch Drehen eines Metallbügels wird die Verbindung zwischen den beiden Klemmen des Schalters hergestellt und unterbrochen.

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Abb. 17 b. Zweipoliger Hebelschalter.

Wirkungsweise eines Drehschalters (a — ein, b = aus)

Abb. 20. Technische Ausführung eines Kippschalters.

Abb. 21. Druckknopfschalter.

Abb. 22. Federschalter.

11 Abb. 19 zeigt den Vorgang in einem Kippschalter. Das Metallstück wird durch einen Kipphebel an die beiden Klemmen gepreßt oder nach der anderen Seite umgelegt und dadurch der Stromkreis unterbrochen. Abb. 20 zeigt die technische Ausfüh­ rung eines solchen Kippschalters.

Die einfachste Form eines Druckknopfschalters, die bei Klingelleitungen und einfachsten Signalanlagen verwendet wird, zeigt Abb. 21. Eine weitere Ausführungsart eines Schalters zeigt Abb. 22, die vielfach in der Fernmeldetechnik bei Fernsprechgeräten angewen­ det wird. Durch Druck auf den oberen Knops werden die beiden Schaltfedern zur Berührung gebracht, und dadurch wird der Stromkreis geschlossen. Die metallischen Verbindungen zweier Leiterstücke untereinander und mit den Geräten müssen sorgfältig hergestellt werden. Ein Leiter muß den anderen Leiter fest berühren. Sind die Verbindungsstellen locker,' so kann bei einer Erschütterung die Verbin- ?bbb,24. $ctbblbanflsbU[6fe. düng sich lösen und der Strom wird unter­ brochen; bei der nächsten Erschütterung tritt dann die Verbindung wieder ein. So ent­ steht ein Wackelkontakt. Man vermeidet Wackelkontakte, indem Abb. 25. Polschuh. man entweder die Verbindungen fest ver­ lötet oder die Drahtenden mit Klemmen zusammenklemmt. Eine andere Art der Leitungsoerbindung besteht aus Steckern und Buchsen, die inein­ Abb. 26. Krokodilklemme. ander gesteckt werden (Abb. 23, 24). Zur Verbindung der Leitungen mit den Schraub­ klemmen von Geräten werden die Drahtenden häufig mit Pol­ schuhen versehen (Abb. 25). Zu schnellen Verbindungen brauchbar sind sog. Krokodilklemmen (Abb. 26). Die Hülse dient zum Einstecken eines „Bananensteckers", während mit der Klemme an jeder Metallstelle eine Verbindung hergestellt werden kann.

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Schaltzeichen Bisher sind die Schaltungen zu den Versuchen und Erscheinun­ gen in schematischer Darstellungsweise abgebildet worden. Für die Elektrotechnik sind solche Abbildungen, die die Geräte im Schnitt oder in der Aufficht zeigen, zu umständlich und auch nicht über­ sichtlich genug. Deshalb hat man die Darstellungsart von Schaltungen weiter vereinfacht. An Stelle der einzelnen Geräte und Schaltelemente treten sogenannte Schaltzeichen. Mit Hilfe dieser Schaltzeichen werden Schaltungen sehr übersichtlich. Jedoch erfordert das Lesen derartiger Schaltzeichen Übung. Es sind zu diesem Zweck vielfach zu den schematischen Bildern die entsprechenden Schaltzeichen und die zugehörigen Schaltungen hinzugesiigt. (Vgl. Abb. 5, 6, 8,10,13,14b, 15b). Eine Übersicht über die Schaltzeichen befindet sich am Ende des Buches.

Wie liest man Schaltpläne?

Beim Verfolgen eines Stromkreises beginnt man meistens bei dem einen Pol der Stromquelle. Hierbei ist es gleichgültig, in welcher Richtung man die Leitung ver-

+ Abb. 28. Schaltzeichen für Leitung»treuzungmit leitender Berbindung.

wieder zu dem anderen Pol zurückkeh­ ren. In der Funktechnik ist es zweck­ mäßig, vom Minuspol auszugehen, weil man dort fast immer den Lauf der Elektränen verfolgt. In der Elektrotechnik allgemeinen geht M0N Meistens V0M

Pluspol aus. Wenn sich zwei Leitungen kreuzen, ohne an der Kreuzungsstelle verbunden zu sein, so werden die Striche im Schaltplan glatt durchgezogen (Abb. 27). Eine elektrische Verbindung der Leitungen wird durch einen Punkt aus der Kreuzungsstelle angedeutet. (Löttropfen, Abb. 28.) Bei allen Schaltungen muß man immer daraus achten, daß zum Schutz der Geräte und der Stromquelle ein Schalter vor-

13 gesehen ist und bei empfindlichen Metzinstrumenten und Versuchen auch eine Sicherung in den Stromkreis eingebaut wird. Richtung des elektrischen Stromes

Durch die wissenschaftliche Forschung der letzten Jahrzehnte ist man zu der Erkenntnis gekommen, daß die Elektronen, die kleinsten Elektrizitätsteilchen, vom Minuspol, der Stelle des Elektronenüberschusses, nach dem Pluspol, dem Ort des Elektronenmangels fließen. Trotzdem wird heute in der Technik noch die Stromrichtung im umgekehrten Sinne, von Plus nach Minus, angegeben.

Dies hat seinen Grund in einer geschichtlichen Entwicklung. Die Bezeichnung der Pole durch Plus- und Minuszeichen geht auf einen Vorschlag des deutschen Physikers Lichtenberg vor ungefähr 150 Jahren zurück; als man das Vorhandensein eines elektrischen Stromes erkannte, aber seine Richtung noch nicht feststellen konnte, legte man daraufhin willkürlich die Stromrichtung vom Pluspol durch den Autzenkreis zum Minuspol fest. (In der Strom­ quelle selbst fließt der Strom dann von Minus nach Plus, da er einen geschlossenen Kreislauf beschreibt.) Man wollte damals nicht einmal damit sagen, daß sich in dieser Richtung irgend etwas be­ wege, sondern man wollte erreichen, daß man der Darstellung der elektrischen Erscheinungen eine bestimmte Ordnung geben konnte. Man sollte annehmen, daß nach der Erkenntnis, daß im Leiter Elektronen fließen, die alte Vorstellung berichtigt worden wäre. Das ist aber nicht einfach durch einen Befehl zu machen.

Die Elektrotechnik hat in der alten Richtungsbezeichnung von Plus nach Minus ihre ganze theoretische und praktische Entwick­ lung ausgebaut, hat Gesetze und Gebrauchsformeln geschaffen und diese Stromrichtung in den meisten Zweigen der Technik zu­ grundegelegt. Man kann diese Festsetzung nicht ohne weiteres ündern, ohne große Verwirrung und Unsicherheit zu schaffen. Darum bleibt die Elektrotechnik auch heute noch bei dieser Vor­ stellung, und in den technischen Schaltungen wird durchweg der Strom von Plus nach Minus angenommen. Man mutz

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sich dabei aber immer bewußt bleiben, daß damit die Richtung der wandernden Elektronen nicht gemeint ist.

Erst in jüngeren technischen Darstellungen, z. B. bei der Elektronenröhre und in Schaltungen der Funktechnik findet man zum Teil schon die neuzeitliche Darstellung der Stromrichtung von Minus nach Plus vor.

Die bestehendeUneinheitlichkeit in dieserHinsicht muß also zur Zeit noch in Kauf genommen werden. Lage:

In technischen Zeichnungen und bei der Erklärung elektrischer Stromvorgänge wird die Stromrichtung von Plus nach Minus angenommen. Die Richtung des Elektronenstroms selbst ist von Minus nach Plus.

Überblick 1. Elektronen befinden sich in allen Körpern.

2. Im Leiter können die Elektronen sich fortbewegen, im Nicht­ leiter oder Isolator nicht. 3. Der Minuspol (negativer Pol) einer Stromquelle besitzt einen Elektronenüberschuß, der Pluspol (positiver Pol) Elektronen­ mangel.

4. Die Elektronen fließen in einem Leiter vom Minuspol zum Pluspol.

5. In der Elektrotechnik wird dieStromrichtung meistens von Plus nach Minus angenommen. 6. Bei Gleichstrom fließen die Elektronen dauernd in der glei­ chen Richtung, bei Wechselstrom bewegen sie sich hin und her. 7. Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen; sind die Strom­ stärken sehr klein, so wird in Milliampere gemessen. 8. Amperemeter sind Strommesser. Sie können verschiedene Meß­ bereiche haben.

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9. Das Amperemeter wird in den Stromkreis eingeschaltet, so daß der zu messende Strom hindurchgeht. 10. Die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis ist überall die gleiche.

11. Bei einer Stromverzweigung ist die Summe der Einzelströme so groß wie der Gesamtstrom. 12. Schaltungen werden durch Schaltzeichen übersichtlich dargestellt.

2. Spannung Wesen der Spannung Auf elektrischen Geräten ist meistens angegeben, welche Span­ nung notwendig ist, damit sie ihre Ausgabe erfüllen können. Glüh­ lampen tragen aus dem Sockel oder auf dem Glaskolben z. B. die Aufschrift 110 V oder 220 V. Auf manchen Taschenlampenbirnen ist 3,5 V angegeben. Die Spannung, die an den Steckdosen herrscht, ist meistenteils auf dem Zähler vermerkt. Daraus folgt schon, daß die Spannung eine überaus wichtige Rolle spielt. Was bedeutet elektrische Spannung? Zur Erleich­ terung des Verständnisses diene folgender Vergleich: Zwei Gläser seien teilweise mit Wasser gefüllt. Jetzt wird aus dem rechten Rohr Wasser entfernt und dem linken Rohr zugesetzt (Abb. 29). Da die

Druckunterschied zwischen zstvei Wassersäulen.

Zustand nach Öffnen des Verbindungshahns.

Wassersäule links höher steht (Wasserüberschuß) als rechts (Wasser­ mangel), wird von links stärker auf den Hahn in dem Verbin­ dungsrohr gedrückt als rechts. Es herrscht ein Druckunterschied. Werden die beiden Gefäße durch Öffnen des Hahns miteinander verbunden (Abb. 30), so bewirkt der Druckunterschied einen Strom

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von links nach rechts, bis der Über­ druck ausgeglichen ist. PI

Wird aber andauernd aus dem rechten Gefäß durch eine Pumpe genau so viel Wasser abgesaugt und links zugesetzt, wie durch das Rohr herüberfließt, so bleibt der Druckunterschied bestehen und derStrom fließt dauernd (Abb. 31). Ebenso herrscht zwischen der Stelle mit Elektronenüberschuß und derje­ nigen mit Elektronenmangel — also zwischen Minuspol und Pluspol — eine elektrische Spannung. Werden Abb. 31. Der Druckunterschied wird durch eine Pumpe aufrecht erhalten, beide Stellen durch einen Leiter ver­ der Wasserstrom fließt dauernd. bunden, so ist die Spannung der Grund für das Zustandekommen eines Stromes.

Boll Als Einheit der Spannung hat man das Bolt (abgekürzt V) festgelegt. Dies ist ungefähr die Spannung, die bei einem einfachen galvanischen Element zwischen der Zink- und Kupferplatte auf­ tritt (vgl. S. 65). Wie beim Ampere als kleinere Einheit das mA, so wird bei kleinen Spannungen das mV (Millivolt) und als grö­ ßere Einheit das kV (Kilovolt) benutzt.

Übersicht über Spannungen

Trockenelement......................... 1,5 V Taschenlampenbatterie............ 4,5 V Lichtleitung............................. 220 V Straßenbahn.......................... 550 V Elektrische Vollbahn 15 000 V Hochspannungsfernleitung . . 50 000—200000 V Spannungsmessung

Jede Stromquelle hat also eine bestimmte Spannung. Man kann diese Spannung messen, indem man die Pole der Strom-

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quelle mit einem Spannungsmesser verbindet. Dieser zeigt die Spannung unmittelbar in Volt an und wird daher Voltmeter ge­ nannt (Abb. 32). [8] Es gibt Geräte, mit denen die Mes­ sung durchgeführt werden kann, ohne daß dabei ein Strom durch sie fließt. Sie sind aber wenig handlich, und darum benutzt man Meßinstrumente anderer Bauart, die einen geringen Strom benötigen (vgl. S. 88).

Abb. 32u. Abb. 32 b. Schaltbild eines Voltmeters.

Auch bei diesen Meßgeräten ist, genau wie bei den Ampere­ metern, auf den Meßbereich zu achten.

Messung der Spannung einer Stromquelle.

Um beispielsweise die Spannung einer Stromquelle zu messen, wird das Voltmeter mit den Polen ver­ bunden, wie Abb. 33 zeigt. [9] Häufig muß die Spannung der Strom­ quelle gemessen wer­ den, während ein Strom im Stromkreise Abb.34. Schaltung von Ampere- und Voltmeter. fließt. Die Schaltung ist in Abb. 34 angegeben. Es wird hier die Spannung zwischen den Punkten a und b gemessen. Diese Spannung ist fast dieselbe, die an den Polen der Stromquelle herrscht. Man achte besonders aus die verschiedenartige Schaltung von Amperemeter und Voltmeter. Das Amperemeter liegt so im Stromkreis, daß der gesamte

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Verbrauchsstrom hindurchfließt (Abb. 35). Das Voltmeter dagegen wird mit den zwei Stellen des Stromkreises verbunden, zwischen denen man die Spannung messen will (Abb. 36). Abb.3ö. Amperemeter liegt im Stromkreis.

Abb. 36. Voltmeter mißt die Span­ nung zwischen zwei Punkten des Stromkreises.

Es sei nochmals festgehalten, dah man nur von Spannung zwi­ schen zwei Stellen (zwei Polen der Stromquelle, zwei Punkten eines Stromkreises) sprechen darf. Bei einem ausgespannten Gum­ mifaden wirkt die me­ Spannung herrscht zwischen zwei Punkten chanische Spannung auch stets zwischen zwei Stellen (Abb. 37). Spannungserhöhung

Sl6b'37' $ei9lei* aus bcr mct8anit

Man verbindet zwei Sammler, deren jeder 2 Volt Spannung hat, nach Abb. 38, indem man den Pluspol des ersten Sammlers

2 Volt

VVo/t JL

19 mit dem Minuspol des zweiten Sammlers verbindet. Diese Schal­ tung heißt Reihen- oder Hintereinanderschaltung. Die Spannung zwischen den beiden äußeren Polen beträgt, wie die Messung zeigt, 4 Volt. Die Spannung der in Reihe geschalteten Sammler ist also so groß wie die Summe der Spannungen der einzelnen Sammler. Werden drei Sammler in Reihe geschaltet, so ist die Gesamtspannung 2+2+2=6$oIt. [io] Zusammenges«haltete Stromquellen bilden eine Batterie. Sammlerbatterien werden für viele Zwecke benutzt. Die Taschenlampenbatterie enthält meist 3 in Reihe geschaltete ein­ zelne „Elemente" (Abb. 39).

Reihenschaltung Abb. 39. Taschenlampenbatterie aus hinter­ einander geschalteten Elementen.

Abb. 40. Hintereinanderschaltung von zwei Wasserpumpen.

Die Jsolierplatten d dienen dazu, die einzelnen Elemente elektrisch von ein­ ander zu trennen, Pluspol, Minuspol. (Vgl. S. 66.)

Bei den Anodenbatterien für Funkgeräte sind viele Elemente hintereinandergefchaltet. Um die Wirkungsweise der Hintereinanderschaltung zu verstehen, vergleicht man die Stromquelle mit einer Wasserpumpe. In Abb. 40 pumpt die erste Pumpe das Wasser bis auf eine bestimmte Höhe H. Angenommen, daß diese Höhe 5 m beträgt. Der Wasserdruck an Wasserkran 1 hat dann eine bestimmte Gröhe. Nun stellt man eine zweite Pumpe auf, die das Wasser weitere 5 m hoch befördert. Beide Pumpen befördern hintereinander das Wasser auf 10 m. Der Wasserdruck an Wasserkran 2 ist doppelt so groß wie der an Wasserkran 1.

20 Genau so erzeugen die beiden hintereinandergeschalteten Strom­ quellen die doppelte elektrische Spannung einer einzigen.

Abhängigkeit zwischen Spannung und Stromstärke

Ein Kraftwagen fährt um so schneller, je größer die Antriebs­ kraft ist; ebenso hängt die Geschwindigkeit des Flugzeugs von der Stärke seiner Motore ab. Der Wasserstrom, der aus dem Kran aussließt, ist um so stärker, je größer der Wasserdruck ist. Auch Spannung und Strom hängen voneinander ab. Die Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. Je größer die Spannung, die an das elektrische Gerät angelegt wird, um so größer der^Strom, der hindurchflietzt. Beweis: Ein „Widerstandsdraht" AB (vgl. S. 24) wird mit den Klemmen des Sammlers verbunden (Abb. 41). Die Spannung ist 2 Volt. Die Stromstärke wird am Amperemeter abgelesen. Dann wird statt des Sammlers von 2 Volt eine Batterie von 4 Volt angeschaltet. Die Strom­ Abb. 41. Bei doppelter Spannung stärke hat sich verdop­ wird die Stromstärke doppelt so groß. pelt. Bei 6 Volt ist die Stromstärke die dreifache derjenigen, die bei 2 Volt fließt. [U] Daraus ergibt sich: Doppelte Spannung — Doppelte Stromstärke, Dreifache Spannung — Dreifache Stromstärke. In gleicher Weise gilt auch: Halbe Spannung — Halbe Stromstärke, Ein Drittel der Spannung — Ein Drittel der Stromstärke. Diese Gesetzmäßigkeit gilt jedoch nur, wenn jeweils derselbe Widerstandsdraht eingeschaltet ist und der Stromkreis auch sonst ungeändert bleibt. Durch eine für 110 Volt bestimmte Lampe muß bei 220 Volt ein doppelt so großer Strom fließen als vorgesehen ist. Allerdings ist der Glühfaden der Lampe dieser Beanspruchung nicht gewachsen, er brennt durch.

21 Ebenso ist es mit anderen elektrischen Geräten. Die für das Gerät vorgesehene Spannung darf nicht überschritten werden. Eine niedrigere Spannung dagegen schadet dem Gerät nie etwas, nur gibt es dabei nicht fein Bestes her. Eine Glühlampe für 220 Volt an 110 Volt angeschaltet, leuchtet nur ganz schwach. Überblick

1. Die elektrische Spannung wird in Volt gemessen, die kleinere Einheit heißt Millivolt (mV), die größere Kilovolt (kV). 2. Spannungsmesser heißen Voltmeter. 3. Durch Hintereinanderschaltung von Stromquellen wird die Spannung erhöht. 4. Die Spannung ist die Ursache des Stromes. 5. Je größer die Spannung, um so größer der Strom.

3. Widerstand Begriffserläuterung Die Stromstärke ist nicht allein von der Spannung abhängig. Durch eine Glühlampe fließt bei gleicher Spannung weniger Strom als durch einen „Tauchsieder". Das kommt daher, daß die wandernden Elektronen im Leiter je nach seiner Beschaffenheit einen verschiedenen Widerstand finden. Je größer der Widerstand des Leiters ist, um so geringer ist die Stromstärke. Wovon ist der Widerstand eines Leiters abhängig? 1. Vergleicht man die Stromstärken, wenn ein Konstantandraht^) von 1 m Länge und dann ein Eisendraht gleicher Länge und Dicke in den Stromkreis geschaltet ist, so stellt man fest, daß die Strom­ stärke im ersten Fall viel kleiner ist als im zweiten. Bei einem Kupserdraht gleicher Länge und Dicke wird die Stromstärke so groß, daß der bisherige Meßbereich des Strommessers nicht mehr ausreicht. [12] Der Widerstand des Konstantandrahtes ist also größer als der des Eisendrahtes und derjenige des Eisendrahtes größer als der *) Konstantan ist eine Legierung (vergl. S. 55) von Kupfer und Nickel und wird als „Widerstandsdraht" verwendet.

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desKupferdrahtes; d. h. Kupfer leitet besser als Eisen, Eisen leitet besser als Konstantan. Man erkennt daraus: Der Widerstand ist vom Stoff des Leiters abhängig. Der innere Aufbau aller Stoffe ist verschieden, und damit er­ klärt sich auch die Verschiedenheit des Widerstandes, den die im Leiter wandernden Elektronen erfahren. 2. Statt des eben benutzten Konstantandrahtes wird ein d ü n nerer gleicher Länge eingeschaltet. Die Stromstärke wird ge­ ringer. Ist der Querschnitt des Drahtes halb so groß wie eben, so ist auch die Stromstärke die Hälfte. Ersetzt man den Draht dagegen durch einen solchen von dop­ peltem Querschnitt, so wird die Stromstärke doppelt so groß. [13] Durch diese Versuche ist festgestellt: Doppelter Querschnitt eines Leiters ergibt den halben Widerstand; halber Querschnitt den dop­ pelten Widerstand. Der Widerstand hängt vom Querschnitt des Leiters ab. 3. Um den Einfluß derDrahtlänge festzustellen, mißt man zunächst die Strom­ stärke in einem Wi­ derstandsdraht von Im Länge (Mb. 42a); dann die Stromstärke in einem Widerstands­ draht gleicher Dicke von 2 m Länge (Abb. 42b). Die Stromstärke ist dann halb so groß. Der Widerstand hat sich verdoppelt. Ver­ gleicht man mit einem Draht öon1^ m Länge, so verdoppelt sich die Stromstärke, der Wi­ Abb. 42. Doppelte Länge des Widerstandsdrahtes — halbe Stromstärke. Die mit dickeren Strichen ge­ derstand ist also halb zeichneten Leitungen bestehen aus starkem Kupfer­ so groß. [14] draht, dessen Widerstand fast null ist. Ergebnis: Doppelte Drahtlänge — doppelter Widerstand.

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Halbe Drahtlänge — halber Widerstand. Der Widerstand ist von der Länge des Leiters abhängig. Ergebnis: Der Widerstand hängt von Drahtart. Drahtdicke (Drahtquerschnitt) und Drahtlänge ab. Um Widerstandsgrößen zahlenmäßig vergleichen zu können, ist auch hier genau wie bei der Stromstärke und der Spannung eine Maßeinheit festgelegt worden. Die Maßeinheitdes Widerstandes wird zu Ehren des deutschen Physikers Ohm, der als Erster die wichtige Rolle des Widerstan­ des festgestellt und die Gesetzmäßigkeit zwischen Strom, Spannung und Widerstand erkannt hat, mit Ohm bezeichnet (abgekürzt Q); 10 heißt also: zehn Ohm. In der nachfolgenden Tabelle ist der Widerstand von Drähten aus verschiedenem Werkstoss von 1 m Länge und 1 qmm Querschnitt angegeben (Artwiderstand)

Widerstandst asel Silber Kupfer Aluminium Zink Messing

0,016 0,017 0,032 0,061 0,07—0,09

Eisen 0,1—0,2 Blei 0,21 Konstantan 0,49 Chromnickel .... 1,06 Graphit 20—100

Die Größe des Widerstandes eines Leiters von bekanntem Werkstoff kann man aus der Länge und dem Querschnitt mit Hilfe der oben angegebenen Zahlen einfach berechnen. Um auf Grund dieser Gesetzmäßigkeit den Widerstand eines Drahtes berech­ nen zu können, wendet man eine Rechenformel an

R = ?—, q

wobei q (sprich Rho) den Artwiderstand, l die Länge in Metern und q den Querschnitt in Quadratmillimetern bedeutet. Das Ergebnis gibt dann den Widerstand in Ohm an.

Es wurde festgestellt, daß die Stromstärke um so kleiner ist, je größer der Widerstand eines Leiters ist. Man kann auch sagen, daß die Fähigkeit eines Leiters, den Strom zu leiten, um so kleiner ist, je größer sein Widerstand ist. In der Technik ist es daher häufig gebräuchlich, von Leitfähigkeit statt von Wider­ stand zu sprechen.

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Als Einheit hat man das Siemens (S) gewählt. Sie steht in engem Zusammenhang mit dem Ohm. Die Leitfähigkeit ist dieUmkehrung (Kehrwert) desWiderstandes,also 2 £2 entspricht 1I2 8 >/z £2 entspricht 3 8. Tafel von Leitfähigkeiten

Ein Draht von 1 qmm Querschnitt besitzt ein Ohm bei einer Länge von Silber.................... . . 63 m Kupfer.................... . . 59 m Aluminium........... . . 33 m Zink....................... . . 17 m . . 12—15 m Messing................. Eisen je nach Art. . . . 5—10 m Konstantan............ ..2m Chromnickel............ . . 0,9 m Graphit................. . . 0,05—0,01 in Spannung, Slromstärke, Widerstand

Alle oben erörterten Vorgänge und Erscheinungen zeigen, daß zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand eine bestimmte Abhängigkeit besteht. Je höher die Spannung, um so größer die Stromstärke. Je größer der Widerstand, um so kleiner die Stromstärke.

Bei gleichbleibendem Widerstand gilt: Doppelte Spannung — doppelte Stromstärke, halbe Spannung — halbe Stromstärke usw. Bei gleichbleibender Spannung gilt: Doppelter Widerstand — halbe Stromstärke, halber Widerstand — doppelte Stromstärke. Die ausgedrückte Gesetzmäßigkeit wird als Ohmsches Gesetz be­ zeichnet. Es ist von größter Wichtigkeit für das Verständnis der gesamten Elektrizitätslehre.

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Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes läßt sich von den drei Größen — Spannung, Stromstärke und Widerstand — die eine berechnen, wenn die Größe der beiden anderen bekannt ist. Es gilt: Strom­ stärke gleich Spannung dividiert durch Wider­ stand. Ampere = Volt: Ohm.

Durch ein Gerät, das 1 Q Widerstand hat und an dessen Enden eine Spannung von 1 V angelegt ist, fließt ein Strom von 1 A. Es ist üblich, noch weiter abzukürzen. Die Stromstärke wirb mit J, die Spannung mit U und der Widerstand mit R bezeichnet. Es heiht

./ = U : R oder J = 'R Beispiele: Eine Glühlampe für 220 V hat 1000-2 -Widerstand. Die Stromstärke ist 0,22 A. Ein Tauchsieder für 220 V hat 100 2 Widerstand; die Stromstärke ist 2,2 A. Ein Kopfhörer hat 2000 -- Widerstand. Werden 4 V Spannung angeschaltet, so fließen hindurch: 0,002 A.

Formen technischer Widerstände Für Fernmeldeleitungen, Hochspannungssreileitungen oder Erd­ kabel, die die Städte mit Strom versorgen, kurz, für alle jene Leitungen, die einen möglichst geringen Widerstand haben sollen, ist Kupfer das geeignetste Material. Da Deutsch­ land seinen Kupserbedarf bei weitem nicht aus eigenen Erzlagern decken kann, sondern aus dem Ausland einführen muß, werden jetzt vielfach Aluminium und Aluminiumlegierungen als Leitungs­ material genommen. Die geringere Leitfähigkeit des Aluminiums wird wettgemacht durch einen größeren Leitungsquerschnitt.

Widerstand in Leitungen ist meistens wünscht, weil er Verluste Hervorruft.

uner­

Jedoch muß im Stromkreis ein bestimmter Widerstand vor­ handen sein, um den Strom aus einen vorgeschriebenen Wert her­ abzudrücken. Häufig hat das Verbrauchsgerät selbst ausreichenden Widerstand, deshalb können z. B. Glühlampe, Tauchsieder, Bügel­ eisen unmittelbar angeschlossen werden. Andernfalls muß ein be­ sonderer Widerstand vorgeschaltet werden. In der Elektrotechnik ist es oft notwendig, bei gegebener Span­ nung eine gewünschte Stromstärke einstellen zu können. Dies er-

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reicht man durch regelbare Widerstände. Als Widerstandsdraht dienen dabei geeignete Drahtarten, die großen Widerstand haben, wie z. B. die Metallegierungen Konstantan, Nickelin oder andere Werkstoffe. Als Träger des Drahtes dienen glatte oder geriefte Ton-, Porzellan- oder Keramikrohre oder -streifen. Bringt man, wie in Abb. 43 dargestellt, über der Widerstands­ spule einen Schieber an, der in metallischer Berührung über den Widerstandsdraht schleift, so entsteht ein Schiebewiderstand. Man kann durch den Schieber ein längeres oder kürzeres Stück des

Abb. 43. Weg des Stromes durch einen Schiebewiderstand.

Abb. 44. Anwendung eines Schiebe­ widerstandes zur Abdunkelung einer Glühlampe.

Widerstandsdrahtes einschalten, der Strom fließt dann durch den Widerstandsdraht nur bis zu der Stelle, die der Schieber berührt, von hier aus über den Schieber durch die Metallstange weiter zu dem an der Stange angeklemmten Leitungsdraht. Schaltet man nach Abb. 44 z. B. einen Stromkreis aus Sammler, Schiebewider­ stand und Glühlampe, so kann man durch Vergrößerung oder Ver­ kleinerung des Widerstands die Helligkeit der Lampe regeln. [iS] Abb. 45 zeigt die technische Ausführung eines Schiebewiderstandes.

Abb.45. Technische Ausführung eines Schiebewidrrstandes.

Kurbelwiderstand.

einen sog. Kurbelwiderftand, zeigt Abb. 46. Durch Drehen des Kurbelschalters über die Kontakte 1—5 werden immer größere Längen des Widerstandsdrahtes eingeschaltet.

27 Auch das im Fernsprechwesen viel gebrauchte Mikrophon ist im Grunde nichts anderes als ein Regelwiderstand besondererBauart, dessen Aenderung durch den Schall der Stimme oder den Ton eines Musikinstrumentes erfolgt. Um die Wirkungsweise des Mikrophons zu erklären, legt man nach Abb. 47 zwischen zwei Metallplatten eine Schicht von Kohlekörnern. Die beiden Me­ tallplatten verbindet man über ein Amperemeter mit einer Abb. 47. Modell und Schaltung Stromquelle. Drückt man auf eines Mikrophons. die Platten, so erhöht sich die Stromstärke, läßt der Druck nach, so wird die Stromstärke wieder geringer. t16] Die Kohlekörner leiten den Strom. Durch die lockere Be­ rührung der einzelnen Körner hat das Mikrophon einen be­ trächtlichen Widerstand. Der Widerstand der Kohlekörnerschicht wird geringer, wenn die Körner fester aneinandergedrückt wer­ den, der Strom kann dann besser von einem Korn zum anderen fließen. Eine technische Ausführung dieses Mi­ krophons zeigt Abb. 48. Das Mikrophon, das in der Fernmeldetechnik gebraucht wird, besteht, wie Abb. 49 zeigt, aus einer Kapsel, die teil­ weise mit Kohlekörnern (unter Kohle ist hier nicht etwa Steinkohle, sondern chemisch reine Abb. 48. Abb. 49. bzw. fast reine Kohle Technische Ausführung Mikrophon der Fern­ verstanden!) gefüllt ist. eines Mikrophons. meldetechnik. Die Kapsel ist durch eine dünne Kohleplatte (Membran) abgeschlossen, an der die Kohlekörner lose anliegen. Der Strom fließt von der Platte durch die Kohlekörner zur Rückwand der Kapsel. Das Mikrophon muß senkrecht gehalten werden. Hält man es waagerecht, dann berühren die Körner die Membran nicht

28 (Abb. 50) und ein Strom kann nicht fließen. Wird dieser Fehler gemacht, was häufig bei Handapparaten vorkommt/so ist beim Fernsprechen keine Verständigung möglich *). Beim Sprechen werden nun aufein­ anderfolgende Verdichtungen und Ver­ dünnungen der Lust erzeugt, die sich als Abb. 50. Bei horizontaler Hal­ Schallwellen sortpflanzen. Durch die auf­ tung des Mikrophons kann kein treffende Luftverdichtung wird die Mem­ Strom fließen, da die Kohle­ körner die Kohleplatte nicht bran nach innen gewölbt, die Kohlekörner berühren. werden zusammengedrückt, die Strom­ stärke steigt (Abb. 51). Durch die nachfol­ gende Verdünnung der Luft wird die Membran nach außen gezogen, die Kör­ ner liegen lockerer aneinander, die Strom­ stärke sinkt. Im Takte der Schallwellen wird also die Membran bewegt und im gleichen Takte die Stromstärke vergrö­ Abb. 51. Auftreffen der Schall­ wellen auf die Kohleplatte des ßert und verkleinert. Die Stromstärke­ Mikrophons. schwankungen werden dann im Kopf­ hörer wieder in Schallwellen umgeformt (vgl. S. 81). Abb. 52 zeigt einSchaubild der Änderung des Mikrophonstromes beim Aus­ treffen der Schallwellen. Einen sehr großen Strom Widerstand, oft von mehreren Millionen Ohm, haben die Hoch­ ohmwiderstände, die in der Funktechnik eine große Rolle spie­ Besprechen (Modulation) des Mikrophon-Gleichstromes. len. Diese Widerstände werden u. a. aus kohlehaltigen Stossen hergestellt, die aus einen Porzellankörper ausgebrannt werden und mit Anschlußkontakt­ kappen versehen sind. AlleWiderstände sollen eine Angabe des Ohm­ wertes tragen.

Schaltung von Widerständen Zwei hintereinander geschaltete Widerstände wirken wie ein größerer Wider­ stand; denn die Hintereinanderschaltung (Abb. 53) ist ja letzten Endes nichts anderes als eine Verlängerung des Widerstandsdrahtes. Hat der erste Widerstand 20 £>, der zweite 20 ü, so beträgt der Widerstand beider zu-

*) Neuere Mikrophone zeigen diese Erscheinung nicht mehr.

29 lammen bei Hintereinanderschaltung 40 ß. Bezeichnet man den ersten Wider­ stand mit Ri, den zweiten mit R2, so ist der Gesamtwiderstand Rg Rg=Rr¥R2.

Liegt in einem Stromkreise ein Widerstand, der eine bestimmte Stromstärke zuläßt und schaltet man nunmehr einen -weiten Widerstand „parallel" (nebeneinander), dann fließt durch diesen ebenfalls Strom. Parallelschaltung bedeutet eine Vergrößerung des Leitungsquerschnittes. Es ist so, als ob für einen Menschenstrom eine Sei­ 20a 20a tenstraße, die der ersten parallel läuft, freigegeben würde. Der Verkehr wird dadurch erleichtert. Es wer­ -ÄNV—\NVden durch beide Straßen mehr Menschen zum Ziele kommen, die „Stromstärke" wird größer. *— Rg=40a-----» In derselben Weise wird der gesamte Widerstand Abb. 53. Zwei Widerstände im Stromkreis durch die Parallelschaltung des zweiten sind hintereinander geschaltet. Widerstandes verringert. Es sei angenommen, daß der erste Widerstand iß habe; jetzt wird ein solcher von 20 q 10^parallel geschaltet. Die beiden parallel geschalte­ ten Widerstände bilden eine Stromverzweigung (S.8). Durch den größeren der Widerstände fließt der klei­ nere Strom, durch den kleineren Widerstand fließt der größere Strom! Hat der kleinere Widerstand 1 ß und der größere 10 4?, so fließt durch den kleineren 20a eine lOmal größere Stromstärke als durch den größe­ *~Rg -10a~* ren. Also ist die Gesamtstromstärke größer als die der Abb. 54. Zwei Widerstände „Hauptstraße", d. h. der Gesamtwiderstand ist klei­ sind parallel geschaltet. ner als der kleinste Widerstand, also kleiner als 1 ß. Der Gesamtwiderstand bei Parallelschaltung zweier Widerstände ist also ge­ ringer als der kleinste Widerstand. Eine genaue Berechnung des Eesamtwiderstandes ist nur für den Techniker notwendig. Die Formel sei aber angegeben:

rAAAAn H/Ww

1 - R1 x +* R.. -1

Rg

So haben zwei parallel geschaltete Widerstände von je 20 ß einen Gesamt­ widerstand von 10 ß (Abb. 54).

Wenn man statt des Widerstandes die L e i t fähigkeit einführt (vgl. S. 24), so erhält man: Sg=Si+S2, d.h. die Gesamtleitfähigkeit ist gleich der Summe der Einzelleitfähigkeiten.

Spannungsteiler-Schaltung

Um eine Spannung abzugreisen, die nur ein Teil der Gesamtspannung ist, benutzt man die Spannungstei­ ler-Schaltung. Abb. 55 zeigt die Anordnung. Die gegebene Spannung liegt an den Enden eines Schiebewider­ standes AB. Zwischen dem einen Ende

Abb. 55. Anwendung eines Wider­ standes als Spannungsteiler.

30 dieses Schiebewiderstandes A (Anfang) und dem Läufer C liegt dann die Teilspannung. Sie ist Null, wenn der Läufer in A steht und gleich der Gesamtspannung, wenn der Läufer am anderen Ende steht. In denZwischenstellungen ergeben sich allemöglichenWertezwischenNullunddervollen Spannung. [18]

Überblick 1. Jeder Leiter hat einen bestimmten Widerstand. 2. Je größer der Widerstand, um so geringer die Stromstärke. 3. Der Widerstand hängt von Art, Dicke und Länge eines Lei­ ters ab. 4. Maßeinheit des Widerstandes ist das Ohm (Q). 5. Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes. 6. Einheit des Leitwertes ist das Siemens (S). 7. Zwischen Strom, Spannung und Widerstand besteht fol­ gende Gesetzmäßigkeit: Bei gleichbleibendem Widerstand gilt: doppelte Spannung — doppelte Stromstärke. Bei gleichblei­ bender Spannung: doppelter Widerstand — halbe Strom­ stärke. (Ohmsches Gesetz.) 8. Zur Einstellung bestimmter Stromstärken werden Regelwider­ stände benutzt. 9. Das Mikrophon ist ein veränderlicher Widerstand, dessen Ver­ änderung durch die auf die Membran auftressenden Schall­ wellen erfolgt. 10. Durch Hintereinanderschaltung zweier Widerstände wird der Gesamtwiderstand vergrößert, und zwar ist der Gesamtwider­ stand gleich der Summe der einzelnen Widerstände. 11. Bei Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste der Einzelwiderstände.

4. Leitung des elektrischen Stromes Feste Körper Stosse, durch die der elektrische Strom fließen kann, werden Leiter genannt. Je größer die Leitfähigkeit des Stosses ist, um so

31 geringer ist sein Widerstand. Wie schon gezeigt (S. 23), sind nicht alle Stosse als Leiter einander gleichwertig. Die meisten Metalle sind gute Leiter. Kupfer leitet besser als Eisen, Eisen besser als Konstantan. Ebenso wichtig wie die Leiter sind für die Elektrotechnik die Nichtleiter oder Isolatoren. Gute Isolatoren sind Gummi, Glas, Glimmer, Bernstein, Por­ zellan, Wachs, Paraffin, ferner künstliche Harzstoffe (Pertinax, Bakelit, Trolit), keramische Massen und andere. Sie werden zum Isolieren von Leitungen gebraucht. Zwei Drähte z. B., zwischen denen eine elektrische Spannung liegt, dürfen sich nicht metallisch berühren, da sonst der Strom den fast widerstandslosen Weg über diese Stelle nimmt und dabei zu sehr hohen Stromstärken anschwillt (Kurzschluß). Die Leitungs­ drähte werden deshalb mit einer Isolierschicht von Gummi, Guttapercha, paraffiniertem Papier u. ä. umgeben. Abb. 56 zeigt den sogenannten 2-Draht, der durch einen Gummi­ mantel und mit einem umklöppelten paraffingetränkten Baum­ wollgewebe isoliert ist. Abb. 57 zeigt eine Doppelleitung, die zum Schutz gegen Feuch-

Abb. 56. X-Draht.

Abb. 57. Doppeladriges Kabel.

tigkeit oder mechanische Verletzung mit einem Bleimantel ver­ sehen ist (vielfach verwendet bei Postleitungen). Schneidet man ein Kabel durch, so erkennt man, daß die Kupserleitung nicht den meisten Platz einnimmt, sondern die in mehreren Lagen um den Leiter gewickelte Isolierung. Da die Kabel gegen den leitenden Erdboden isoliert sein müssen, bedarf es einer Isolierschicht, die auch nach jahrzehntelangem Lagern nicht fault oder sonstwie zerstört wird. Desgleichen ist eine Isolierung an Steckdosen, Schaltern usw. nötig, um die Berührung der stromführenden Leiter unmöglich zu machen. Alle elektrischen Geräte, die für höhere Spannungen eingerichtet sind, müssen gegen Berührung isoliert sein.

32 Flüssigkeiten Eine besondere Gruppe bilden die Flüssigkeiten. Viele von ihnen sind gute Isolatoren z.B. Ol, Alkohol, Glyzerin. Auch chemisch reines Wasser leitet fast nicht. Um dem Wasser die Spannung zu­ zuführen, taucht man nach Abb. 58 zwei Metallstreifen in ein mit Wasser gefülltes Gefäß. Solche eintauchende Zuleitungen nennt man Elektroden. Die beiden Elektroden verbindet Abb. 58. Reines Wasser leitet man über ein Amperemeter mit einer den Strom nicht. Stromquelle. [19] Wenn sich im Gesäß ^chemisch reines, sogenanntes destilliertes Wasser befindet, schlägt das Amperemeter nicht aus. Nun setzt man dem Wasser etwas Kochsalzlösung zu: das Amperemeter zeigt einen Strom an. Auch die Lösung vieler an­ derer Salze kann man mit demselben Erfolg dem Wasser zusetzen. Fügt man dem reinen Wasser Essig hinzu, so schlägt das Am­ peremeter ebenfalls aus. Essig ist sauer, er enthält Essigsäure. Es gibt noch viele andere Säuren; genannt seien die Schwefel- und Salzsäure. Werden sie dem Wasser zugesetzt, so leitet dieses eben­ falls den Strom. Auch sogenannte Laugen (Natron- oder Kali­ lauge) wirken in gleicher Weises. Desgleichen leitet Quell- und Leilungswasser den elektrischen Strom, da es kein chemisch reines Wasser ist, sondern gelöste Salze enthält. Flüssigkeiten, die den elektrischen Strom leiten, nennt man Elektrolyten). Der Stromdurchgang in den Elektrolyten geht etwas anders vor sich wie in Metallen. Während in den Metallen die Elektro­ nen sich zwischen den Atomen bewegen, die Metallatome selbst aber am Orte bleiben, werden im Elektrolyten die mit Elektronen beladenen bzw. die der Elektronen beraubten Teilchen der zuge­ setzten Stoffe selbst bewegt. (Weiteres S. 63.) Manche Stosse, die in trockenem Zustande Nichtleiter sind, lei*) Laugen sind chemische Flüssigkeiten, die ihren Namen daher haben, daß sie sich zwischen den Fingern ansühlen wie Seifenlauge. ") Streng genommen heißen nur die zugesetzten Stoffe Elektrolyte. Dem Sprachgebrauch nach bezeichnet man aber heute die leitende Flüssigkeit mit diesem Namen.

33

ten, sobald sie feucht werden (z.B. Holz, Papier usw.), da dann das in ihnen enthaltene Wasser eine Leitung hervorruft. Die Erde als Letter Von besonderer Bedeutung ist die Leitfähigkeit des feuchten Erdbodens, insbesondere der Schichten, die vom Grundwasser durchsetzt sind. Will man z. B. von einer Stromquelle A aus (Abb. 59) eine entfernt liegende Stelle B mit Strom versorgen, so braucht man eine Hin- und eine Rück­ leitung (bei Fern­ meldeleitungen a= und d-Zweig ge­ nannt). Die Rück­ leitung kann man Abb. 59. Die feuchte Erde ersetzt die Rückleitung. nun sparen, wenn man den Strom einen Weg durch den leitenden Erdboden machen läßt. Man muß dann den Strom den leitenden Bodenschichten zuführen. Man sagt, ein Pol der Stromquelle wird geerdet. Die Ver­ bindung mit der Erde heißt Erdung.

Um den Stromkreis zu schließen, wird eine zweite Erdung in der Nähe des Verbrauchsgerätes angebracht, durch die der Strom wieder aus der Erde zurücksließt.

Der Übergang von der sogenannten „Erde" in die Erdboden­ schichten soll möglichst geringen Widerstand haben. Das erreicht man durch Verlegen von Metallplatten, Drähten oder Metall­ geräten, die bis in das Grundwasser oder mindestens bis in dauernd feuchte Erdschichten geführt werden. Die Verlegung der Erdleitungen in Teiche, Bäche oder stattdessen auch die Verbin­ dung der zu erdenden Stelle mit einer vorhandenen Wasserleitung gewährleistet gute Erdung. Im Fernmeldebetrieb der Wehrmacht wird häufig die Verbin­ dung mit der Erde durch ein Erdleitungsrohr hergestellt, das in den Erdboden eingebohrt wird.

Verbindet man z. B. die eine Klemme des Sammlers mit der Wasserleitung, führt von der anderen Klemme den Draht zu einem 3 Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

34 Erdleitungsrohr, so kann man mit dem Amperemeter nachweisen, [20] daß ein Strom fließt (Abb. 60). Abb.61 zeigt dasSchaltbild mit den Schalt­ zeichen der „Erdung". Auch bei den meisten I——i |—®,

Abb 60. Nachweis des Erdstromes.

Abb. 61. Schaltbild zu Abb. 60.

Leitungsnetzen der Elektrizitätswerke ist die eine der beiden Lei­ tungsführungen gleich am Werk geerdet. Das merkt man auf un­ liebsame Weise, wenn man zufällig den nichtgeerdeten Draht oder den mit ihm verbundenen Pol der Steckdose berührt. Es fließt dann ein Strom durch den Körper zur Erde. Absichtlich darf eine solche Berührung nie geschehen, da sie gefährlich ist. Berührt man den mit dem geerdeten Pol verbundenen Leiter mit der Hand, so fließt kein Strom durch den Körper, weil der Leiter schon an an­ derer Stelle Erdverbindungen hat. [21]

Eine geerdete Leitung hat keine Spannung gegen Erde (Ab­ bildung 62). Die nichtgeerdete Leitung kann Spannung gegen Erde haben (bei der Steckdose 110 oder 220 V).

Abb. 62. Die geerdete Leitung hat keine Spannung gegen Erde; die nichtgeerdete Leitung hat Spannung gegen Erde.

35 Bei den elektrischen Straßenbahnen hat der Fahrdraht 500 V Spannung gegen Erde. Der Strom fließt durch den Abnahmebügel und durch den Motor zur Schiene, von dort durch die Erde zurück zum Elektrizitätswerk. Die Schiene ist geerdet und hat mithin keine Spannung gegen Erde.

Gefahrlos läßt sich mit dem Spannungstaster, auch Spannungssucher genannt, feststellen, welcher Pol der Steckdose (St) geerdet ist. Der Taster enthält ein Glimmlämpchen (G) und einen davor geschalteten Hochohmwiderstand R (Abb. 63). Wird mit diesem Gerät der nicht geerdete Pol berührt, so fließt ein schwacher Strom durch Hochohmwiderstand, Glimmlämpchen und Körper zur Erde. Er wird durch Aufglimmen des Lämpchens angezeigt. Der Hochohmwiderstand hält den Strom so klein, daß er für den Körper nicht wahrnehmbar ist und keine Gefahr bildet. Wird der geerdete Pol berührt, so leuchtet das Lämpchen nicht. Der Strom durch die Erde fließt nun keineswegs in eng be­ grenzter Bahn oder auf dem kürzesten Wege zur Stromquelle zurück, sondern er kann große Umwege machen, sich im Erdboden verteilen und verzwei­ gen (Abb. 64). Hier sucht er eine feuchte, gut leitende Schicht aus, dort umgeht er eine schlechter leitende Stelle. Man spricht daher von „vaga­ bundierende N" Abb. 64. Verlauf des elektrischen Stromes in der Erde. Strömen. Bei der militärischen Nachrichtenübermittlung muß aus diese Eigenschaft der Erd­ ströme geachtet wer­ den. Angenommen, daß zwischen den Stel­ len A und B ein Ferngespräch geführt wird (Abb. 65). Die Rückleitung des Stro­

z'

36 mes geht durch die Erde. Teile der vagabundierenden Erdströme gelangen dann häufig auch bis an ein Gelände, das vom Feinde besetzt ist. Der Feind treibt nun zwei sogenannte Suchererden (Sj und S2) in den Boden. Ist der davon aufgenommene Teilstrom auch noch so schwach, so läßt es sich doch durch geeignete Verstär­ kung erreichen, daß das Gespräch abgehört werden kann. Feind hört mit! Der menschliche Körper als Leiter

Der harmlos aussehende spannungführende Kupserdraht läßt nicht erkennen, daß er bereit ist, bei seiner Berührung einen unter Umständen tödlichen Strom durch den Körper zu senden. Nicht die Spannung als solche, sondern der Strom, den sie im Körper verursacht, ist tödlich. Aus der Hochspannungsfernleitung von 100 000 V kann ungefährdet ein Vogel sitzen. Solange er nicht mit Schnabel oder Schwanz einen anderen Draht oder den Mast berührt, kann kein Strom durch seinen Körper fließen. Schwache Ströme von 20 bis 30 mA sind aber selbst dem Menschen schon ge­ fährlich, besonders wenn sie lebenswichtige Teile des Körpers durchfließen. (Pferde sind seltsamerweise noch viel empfindlicher.) Ein Strom, der von der rechten zur linken Hand durch Arme und Brust fließt, kann dabei das Herz oder Herznerven treffen und den Tod herbeisühren, während er etwa von Zeigefinger zum Mittelfinger derselben Hand fließend, zwar schmerzhaft aber meist ungefährlich ist. Natürlich spielt die Spannung insofern eine Rolle, als ohne Spannung kein Strom fließt und der Strom bei gleichem Wider­ stand um so größer wird, je höher die Spannung ist. Nur Spannungen unterhalb etwa 40—50 V können erfahrungs­ gemäß als ungefährlich bezeichnet werden. Bei allen Spannungen, die darüber hinausgehen, find die vom Verband Deutscher Elektro­ techniker (VDE) erlassenen Vorschriften genau zu beachten. Außer der Höhe der Spannung spielt der Widerstand des Körpers eine Rolle. Die inneren Teile — Gewebe und Blutbahn — leiten sehr gut. Am größten ist der Widerstand der Haut; ist diese aber feucht, so sinkt dieser Widerstand erheb­ lich. In feuchten Räumen, besonders auch wenn Schuhe und Erdboden naß sind und der Strom leicht durch den Körper zur Erde fließen kann, ist die Gefähr­ dung besonders groß. Wer beispielsweise die Berührung von 600 V gut überstanden hat, ist keines­ wegs gefeit und kann unter ungünstigeren Umständen sehr wohl bei 220 V oder 110 V lebensgefährlich verunglücken.

37 Nach elektrischen Schlägen tritt häufig Scheintod ein; Wieder­ belebungsversuche durch künstliche Atmung sind mehrere Stunden lang fortzusetzen. Gase Bei spannungführenden Freileitungen können die blanken Me­ talldrähte durch die Lust gespannt werden, nur gegen die Masten sind sie durch Porzellankörper isoliert. Abb. 66 zeigt einen Isola­ tor, der vielfach bei Fernsprech­ leitungen gebraucht wird, Abb. 67 einen für Starkstrom- und Hochspannungsleitungen. Diese erhebliche Vereinfachung ge­ genüber Kabeln ist nur möglich, weil die Luft selbst ein sehr guter Isolator ist. In besonderen Fällen aller­ dings kann der elektrische Abb. 67. Abb. 66. Strom auch seinen Weg durch Isolator für Fern­ Isolator für Hoch­ spannungsleitungen. sprechleitungen. die Luft nehmen. So ist der Blitz ein kurzdau­ ernder Strom sehr hoher Stromstärke. Auch jeder andere über­ springende elektrische Funke ist ein kurzdauernder Strom. Solche Funkenüberschläge geschehen aber erst dann, wenn eine hohe Span­ nung vorhanden ist. Die Luftschicht zwischen zwei Kugeln beispielsweise, die 1 cm voneinander entfernt sind, isoliert so lange, als die Spannung kleiner als 30000 V.ist. Wird diese Spannung überschritten, so findet der Überschlag in Form eines Funkens statt. Bei den oft kilometerlangen Blitzen sind Span­ nungen von mehreren Milliarden Volt vorhanden.

Der elektrische Funke ist sehr heiß, so daß er brennbare Gasgemische entzünden kann. Eine tech­ nische Anwendung dieser Art ist die Zündkerze, die beim Verbrennungsmotor dazu dient, das in den Zylinder angesaugte Gasgemisch zur Entzündung zu bringen. Im geeigneten Augenblick wird an den isolierten Mittelstist E (Abb. 68) eine hohe Span­ nung angelegt, und der Funke springt zwischen E und Ej über. Leichter kommt der Durchschlag durch verdünnte Luft zustande. In eine Glasröhre sind zur Zufüh-

f E,

Abb. 68. Schnitt durch eine Zündkerze.

38 rung der Spannung zwei kleine Metallplatten (Elektroden) ein­ geschmolzen. Pumpt man aus der Glasröhre mit einer Säugpumpe die Luft heraus und schmilzt sie dann zu, so erhält man ein Entladungsrohr.

(Nach dem Bonner Glasbläser Geißler, der solche Röhren zuerst anfertigte, nannte man sie früher Eeißler-Röhren.) Der Durchgang der Elektrizität durch eine solche Röhre zeigt je nach dem Verdünnungsgrad des in der Röhre enthaltenen Gases verschiedene Erscheinungen. Bei einer bestimmten Verdünnung tritt das sogenannte Glimmlicht auf. [22] Die Spannung, bei der die Entladung in der Röhre einsetzt, heißt die Zündspannung. Eine der gebräuchlichsten Glimmlampen, wie sie Abb. 69 zeigt, hat eine Zündspannung von 80 Volt. Die Ströme, die durch eine Glimmlampe flie­ ßen, sind sehr gering. Damit die Stromstärke nicht zu groß wird, muß ein Widerstand W (Hochohmwiderstand) vorgeschaltet werden, der bei den üblichen Glimmlampen meistens fest in den Lampensockel eingebaut ist. Besonders deutlich ist das Glimmen vor der mit dem negativen Pol der Stromquelle verbundenen „Elektrode", der sogenannten „Kathode", zu 916669. Glimmlampe sehen. Man kann deshalb mit einer Glimmlampe den negativen Pol suchen (P o l s u ch l a m p e). Abb. 70 zeigt eine „Klein"-Glimmlampe, die in der Fernmeldetechnik vielfach verwendet wird. 9166.70. Glimmröhre. Wird die in Abb. 71 gezeigte Glimmlampe an Gleichspan­ nung angeschlossen, so überzieht sich entweder die innere Scheibe 72a oder der äußere Ring 72b o • • mit Glimmlicht, je nach­ b a c dem, welche Elektrode mit dem negativen Pol verbunden ist. t23) a) Der negative Pol liegt an der Platte, Bei WechselspUNNUNg, 9166.71. c) wmmg bei Wechselstrom. bei der Polarität schnell Polsuchlampe.

39 nacheinander wechselt, leuchtet abwechselnd die innere und die äußere Elektrode aus. — Da das Auge den Lichtschwankungen bei dem üblichen technischen Wechselstrom von 100 Wechseln je Sekunde nicht folgen kann, sieht es beide Elektroden gleichzeitig von Glimm­ licht überzogen (Abb. 72c). Bei den „Leuchtröhren", die zu Beleuchtungszwecken dienen, werden die verschiedenartigen Farben entweder durch ent­ sprechende Wahl des Gasrestes, der in den Röhren noch vorhanden ist, oder durch Färben des Glases erzielt. Aus Flughäfen finden Glimmröhren als Richtungszeiger, sowie als Rollfeld- und Hindernisleuchten Anwendung. Um Leitungen und Geräte gegen Beschädigungen durch Über­ spannungen, die durch Gewitter oder besondere elektrische Zu­ stände der Lust hervorgerufen werden, zu schützen, benutzt man in der Technik die Überspannungsableiter. Sie sind einer­ seits mit der zu schützenden Leitung, andererseits mit der Erde verbunden. Bei Überspannung wird eine „E n t l a be­ st recke" zur Zündung gebracht, über die dann der Entladungsstrom zur Erde abfließt, bis die Überspannung vorüber ist, dann ver­ löscht die Entladung von selbst wieder. Bei Freileitungen, die besonders dem Blitz und den luftelektrischen Entladungen aus­ Abb. 73 Schaltung eines gesetzt sind, werden auf den Masten oder an Hörnerblitzableiters. geeigneten Leitungsstellen Hörnerblitzableiter angebracht (Überlandleitun­ gen, Straßenbahnen). Der Über­ schlag der Entladung durch die Luft setzt an der engsten Stelle zwischen den beiden Hörnern ein (Abb. 73). Der entstehende Flammenbogen wird durch die erhitzte aufsteigende Lust nach Bhtzableiter Erde oben geblasen und reißt ab, Abb. 74. Abb. 75. Überspannungs-Grobschutz Schaltzeichen wenn die Hörnerenden erreicht (2000 V). zu Abb. 74. sind.') [24] Ein anderes Gerät, das die Leitungen gegen luftelektrische Spannungen sichert, zeigt Mb. 74. Die Entladung geht zwischen Der Hörnerableiter wird heule durch neuzeitlichere Schutzgeräte verdrängt.

40 der Kohleplatte und den Kohlezacken über. Die beiden Kohle­ platten sind durch Glimmerplatten gegeneinander isoliert.

üb-rspannung--F-i'nschutz (350 v).

Abb. 76 zeigt einen Überspannungsab­ leiter in anderer Form. Hier geht die Ent­ ladung durch den gasverdünnten Raum in der Röhre und beginnt schon bei verhältnismäßig kleinen Überspannungen. Uberblick

1. Stoffe, die den Strom nicht leiten, heißen Isolatoren. 2. Leitende Flüssigkeiten heißen Elektrolyts. 3. Reines Wasser, auch Schnee sind Nichtleiter; werden dem Wasser Salze, Säuren oder Laugen zugesetzt, so leitet die Lösung. 4. Die feuchte Erde ist ein Leiter. 5. Durch die Erdleitung läßt sich ein Leitungsdraht sparen. 6. Der menschliche Körper leitet. 7. Lust und andere Gase sind gute Isolatoren. Bei sehr hohen Spannungen kann der Strom aber auch seinen Weg durch die Luft nehmen. 8. Leichter geschieht der Durchgang der Elektrizität d u r ch v e r dünnte Lust. 9. Glimmröhren und Glimmlampen sind Röhren, deren Gasinhalt sehr stark verdünnt ist. 10. Das Glimmlicht setzt erst bei der sogenannten Zündspannung ein. 11. überfpannungsschutz dient gegen Schäden durch zu hohe Span­ nungen.

5. Watt, Kilowatt, Kilowattstunde Wie man Gas vom Gaswerk, Wasser vom Wasserwerk kaust, so kann man auch elektrischen Strom vom Elektrizitätswerk kau­ fen. Nun ist für den Verbraucher meistenteils die Menge des an­ gelieferten Wassers oder Gases von Bedeutung. Denn er muh diese Menge bezahlen. Der Druck dient nur dazu, Gas und Wasser

41 an die Verbrauchsstelle zu befördern. Anders ist es bei einer Preß­ luftleitung. Hier bestimmen Druck und Luftmenge je Se­ kunde die Leistungsfähigkeit. Auch der elektrische Strom soll eine Leistung vollbrin­ gen, einen Motor treiben, Licht oder Wärme erzeugen. Auch hier hängt die Größe der Leistung nicht allein von der Stromstärke, sondern auch von der elektrischen Spannung ab. Man hat gefunden, daß die elektrische Leistung durch das „P r o buht“ aus Stromstärke und Spannung bestimmt ist.

Leistung--Spannung mal Stromstärke

Die Leistung wird in der Elektrizitätslehre in „Watt" aus­ gedrückt. Es ist Watt = Volt mal Ampere Fließt also durch eine Lampe bei 220 Bolt ein Strom von */« Ampere, so leistet der Strom in der Lampe 55 Watt. [25] Die Einteilung der Glühlampen wurde früher nach ihrer Licht­ stärke in „Kerzen" vorgenommen. Heute teilt man sie nach der Leistung, die sie aufnehmen, ein. Es gibt 25-Watt-Lampen für 220 V Spannung. Sie brauchen also etwa 0,114 A (denn: 0,114 AX 220 V=25 Watt). Andererseits benutzt man auch für Kraftwagenscheinwerfer oder Kleinkinogeräte Lampen von 25 Watt, die aber mit 6 V brennen. Diese Lampen brauchen dann etwa 4,2 A (6VX4,2A=25Watt). Größere Leistungen werden in Kilowatt (kW) angegeben.

1 Kilowatt-lVO« Watt. In der Technik wird häufig die Leistung des Motors, z. B. des Kraftwagen- oder Flugzeugmotors in Pferdestärken (PS) gemessen. Diese Einheit für die Leistung ist aus der Bewegungs­ lehre entstanden. Es gilt folgende Beziehung: 1PS = ungefähr V4 kW.

Die Kosten, die der Betrieb einer Lampe oder eines Motors verursacht, hängen aber nicht nur von den aufgenommenen Watt bzw. Kilowatt ab, sondern auch von der Zeitdauer, während der die elektrische Leistung in Anspruch genommen wird. Was wir dem Elektrizitätswerk bezahlen müssen, ist die vollbrachte

42 Arbeit, d. h. die Leistung mal der Zeit. Diese Arbeit wird in Wattsekunden oder, da dieses Maß für die technischen Ver­ hältnisse zu klein ist, in einer größeren Einheit, in Kilowatt­ stunden (kWh)1) angegeben. Wird z. B. ein Kilowatt eine Stunde lang verbraucht, so muß eine Kilowattstunde bezahlt werden. Wird ein Kilowatt eine halbe Stunde lang verbraucht, so muß eine halbe kWh bezahlt werden.

Kilowattstundenzahl = Kilowatt X Stunden.

Meßgeräte, die diese Arbeit anzeigen, sind die Elektrizitäts­ zähler, die vom Elektrizitätswerk bei jedem Verbraucher an­ gebracht werden. Sie enthalten meistens kleine Motoren, die ein Zählwerk antreiben, das den Stromverbrauch direkt in Kilowatt­ stunden angibt. überblick 1. Die elektrische Leistung wird in Watt angegeben. Die größere Einheit ist das Kilowatt (kW).

2. Die elektrische Arbeit ist Leistung mal Zeit. Die in der Elektrotechnik benutzte Einheit ist die Kilowattstunde.

6. Ladung und elektrisches Feld In der technischen und wissenschaftlichen Fachsprache bezeichnet man einen Elektronenüberschuß als negative Ladung. Körper mit Elektronenüberschuß nennt man negativ geladen. Demgegenüber besitzen Körper mit Elektronenmangel positive Ladung. Die Begriffe positive und negative Ladung wurden in einer Zeit geprägt, in der man von dem Vorhandensein der Elektronen noch keine Kenntnis hatte. Nach der heutigen Anschauung sind die Elektronen die Träger der negativen Ladung. Negativ laden heißt also, Elektronen zuführen. *) Der Buchstabe h ist gewählt von dem lateinischen hora, die Stunde.

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Die Atome, denen eins oder mehrere ihrer Elektronen entzogen werden, bleiben demgegenüber positiv geladen zurück. Die posi­ tive Ladung kann sich also nicht frei bewegen wie das Elektron, sondern ist an das Atom fest gebunden. Einen Körper positiv auf­ laden heißt also nichts anderes, als ihm Elektronen entziehen. In diesem Sinne ist der Ausdruck stets zu verstehen. Gleichen sich Uberschuß und Mangel an Elek­ tronen — also negative und positive Ladung — aus, so ist der Körper neutral — er ist un­ geladen.

Durch einfache Versuche kann man feststellen, daß Körper mit verschiedenartiger Ladung sich einander an­ ziehen, während gleichartig geladene sich ab­ stoßen. [26] Die anziehenden und abstoßenden Kräfte der Ladungen wirken durch den Raum zwischen den beiden geladenen Körpern hindurch. Auch durch den luftleeren Raum tritt dieser Einfluß auf. Man nennt den von elektrischen Kräften durchsetzten Raum ein elektrisches Feld. Man kann das elektrische Feld aus einfache Weise ver­ anschaulichen: Auf einer Glasplatte be­ festigt man zwei parallele Me­ tallstreisen und streut klein­ geschnittene Haare, Gips­ kristalle oder andere kleine Körperchen aus. Ladet man die Metallstreifen mit einer hohen Spannung entgegen­ gesetzt auf, so ordnen sich diese Körper in bestimmten Richtungen kettenartig hin­ tereinander. [27] Abb. 77 zeigt das Ergebnis dieses Versuches.

Abb. 77. Elektrische Feldlinien zwischen zwei Platten.

Befestigt man eine runde Platte in ähnlicher Weise und ladet

44 diese auf, so erhält man die Abb. 78. Sie stellt das Bild durch den Schnitt eines elek­ trischen Feldes um eine Ku­ gel im Raume dar. Nicht die unsichtbaren Feld­ linien selbst, sondern nur ihre Richtung wurde so durch den Versuch sichtbar gemacht. Elektrische Felder breiten sich mit gro­ ßer Geschwindigkeit aus. Sie pflanzen sich in einer Sekunde um 300 000 km Abb. 78. Elektrische Feldlinien um eine Kugel fort. Die Ausbreitung der bzw. einen LeiterFunkwellen hängt mit diesen elektrischen Feldern aufs engste zusammen.

überblick 1. Körper mit Elektronenmangel heißen positiv geladen, solche mit Elektronenüberschutz negativ geladen. 2. Positive und negativeLadungziehen einander an. Gleichartige Ladungen stoßen einander ab. 3. Der von elektrischen Kräften durchsetzte Raum wird elektrisches Feld genannt.

7. Kondensator

Jso/ator Luft

Die Wirkungsweise des Kondensators

Zwei Metallplatten, einander gegen. Metallp/alten übergestellt und durch einen Isolator voneinander getrennt, bilden einen Abb. 79. Kondensator (Abb. 79). Aufbau eines Kondensators. Die isolierende Zwischenschicht ist ent­ weder Lust (Lustkondensator) oder ein fester Isolierstoff, z. B. Glimmer (Glimmerkondensator), Glas oder paraffiniertes Papier oder eine isolierende Flüssigkeit, z. B. Öl.

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Abb. 80 zeigt einen Plattenkondensator, bei dem der Abstand veränderlich eingestellt werden kann. Ladet man die eine Platte positiv, die andere negativ auf, so ziehen sich die beiden Ladun­ gen an, sie binden sich gegenseitig. Je näher die beiden Platten einander gegenüberstehen, um so stärker wird diese Bindung und um so größere elektrische Ladungen können dann auf Abb. 80. Plattenkondensator mit verstell­ den Kondensator gebracht wer­ barem Plattenabstand. den. Diese Aufspeicherung von Ladungen kann man durch einen ein­ fachen Versuch zeigen: In der in Abb. 81 angegebenen Schaltung ist ein größerer Kon­ densator in Reihe mit einem empfindlichen Amperemeter geschal­ tet. Wird der Schalter nach a gelegt, so schlägt das Ampere­ 7* meter für einen Augenblick Enf/adeaus. Das ist ein Zeichen da­ s/rom für, daß ein kurz dauernder Strom fließt. Es ist der soge­ nannte Ausladestrom. Wird der Schalter nun geöffnet und a b nach b gelegt, so schlägt das Abb. 81. Amperemeter wiederum aus, Schalter auf a: Laden des Kondensators. aber diesmal nach der entge­ Schalter auf b: Entladen des Kondensators. gengesetzten Seite, d. h. der Strom fließt in umgekehrter Richtung wie oben. Man nennt ihn Entladestrom. Zwischen Ausladung und Entladung ist die Ladung in dem Kondensator verblieben. [28] An Stelle des Amperemeters kann man auch eine Glimmlampe bzw. eine kleine Glühlampe einschalten. Kapazität

Wiederholt man obigen Versuch bei gleicher Spannung der Stromquelle, aber mit verschiedenen Konden­ satoren, so bemerkt man, daß der Ausschlag des Ampere-

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Meters verschieden groß ist. Die Größe des Aufladestroms und somit auch die Größe der Ladung, die der Kondensator erhält, ist je nach dem Fassungsvermögen des Kondensators verschieden. [29] Dieses Fassungsvermögen wird Kapazität genannt. Jeder Kondensator hat eine bestimmteKapazität.

Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F). Diese Maßeinheit, die aus theoretischen Voraussetzungen entsprang, ist unpraktisch groß. Daher bedient man sich in der Technik fast nur des Mikro­ farad (nF). 1 Farad = 1 Million ^F. Sehr kleine Kapazitäten werden auch in Pieosarad (pF) gegemessen. I nF-L Million pF. (In der Funktechnik ist auch noch das Maß “cm“ hin und wieder gebräuchlich, 1 cm ist etwa 1 pF. Die Kapazität ist abhängig von der Größe der beiden gegen­ überstehenden Metallsliichen, ihrem gegenseitigen Abstand und von der Art der isolierenden Zwischenschicht. Die vom Kondensator aufgenommene Elektrizitätsmenge hängt nicht nur von der Kapazität ab. Wenn man den oben an­ gegebenen Versuch mit demselben Kondensator, aber bei verschie­ denen Spannungen der Stromquelle durchführt, so bemerkt man, daß der Ausschlag des Amperemeters um so größer ist, je höher die an den Kondensator angelegte Spannung ist. [30] Bei größerer Spannung fließt eine größere Ladung auf den Kondensator als bei kleinerer Spannung. Die Ladung, die der Kondensator aufnimmt, ist also abhängig von der Kapazität und der Spannung. Als Gesetzmäßigkeit wirk» dieses durch die Gleichung ausgedrückt: Q=C-U, wobei Q die Gröhe der Ladung, C die Kapazität (Farad) und U die Spannung (Volt) bedeutet.

Ein Vergleich: Je größer ein Luftdruckkessel ist, um so größer ist auch sein Fassungsvermögen für Luft. Die Menge der Lust (Ladung), die eingepumpt wird, hängt ab von dem Fassungsvermögen (Kapazi­ tät) und dem Druck der Pumpe (Spannung).

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Schaltung von Kondensatoren

Es kommt vor, daß die Kapazität eines Kondensators für die notwendige Aufspeicherung der Ladung nicht ausreicht. Dann schaltet man mehrere Kondensatoren parallel (Abb. 82). Ladet man diese parallelgeschalteten Kondensatoren auf, so

O O Abb. 82. Vier Kondensatoren sind parallel geschaltet, sie wirken wie ein Kondensator von vierfacher Plattenfläche.

C=C1'-C,-C3*-Ct

Abb. 83. Schaltplan ju Abb. 82.

finden die Ladungen vergrößerte Platten. Das Fassungsvermögen ist also größer. Durch Messung kann man feststellen, daß C=C\ + C, + C3 + C4 (Abb. 83), also die Gesamtkapazität gleich her Summe der einzelnen Kapazitäten ist. [si] Ähnliche Vorgänge findet man beim Parallelschalten von Sammlern. Auch hier wird das Fassungsvermögen der Sammler entsprecherid der Zahl der pavallolgeschalteten Platten vergröhert (vgl. S. 68).

Wenn man dagegen Kondensatoren hintereinanderschaltet, so so verteilt sich die Gesamtspannung aus die einzelnen Konden­ satoren. Es erhält also jeder Kondensator nur einen Teil der Ge­ samtspannung (Abb. 84). Die gesamte Kapazität ist dabei ge­ ringer als diejenige des kleinsten der Q*---------------------— L-----------------------Kondensatoren. [32] Bezüglich des Fassungsvermögens gilt dann die Beziehung

Cj

C2

C3

Cfy

HHHHIi_= L.L.L.L C Cj C2 C3

Kondensator im Gleichstromkreis

Abb. 84. Vier Kondensatoren hintereinander geschaltet.

Schaltet man vor den Kondensator ein Glimmlämpchen und

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legt dann die Gleichspannung an den Stromkreis (Abb. 85), so leuchtet die negative Elektrode der Lampe während der Ladung aus und verlöscht dann. Nach der Ausladung des Kondensators fließt kein Strom mehr. Der Kondensator wirkt daher als Stromsperre. Der Kondensator blockiert also den Gleichstrom und trägt dann den Namen Block-Kondensator.

Abb. 85. Konden­ sator und Glimm­ lampe hintereinandergeschaltet.

Kondensator an Wechselspannung Schaltet man eine Wechselspannung an den Kondensator, so leuchtet die Glimmlampe dauernd.

Zur Aufklärung dient folgender Versuch: Man stellt einen Wechselstrom mit Hilfe des Stromwenders (Abb? 86) aus Gleichstrom her. Bei jeder Umdrehung

Wechslers werden die Punkte a und b abwechselnd an Plus und Minus gelegt.

der Kurbel werden die Klemmen des Kondensators zweimal umgepolt (Abb. 86a). Beim Einschalten brennt das Lämpchen nur so lange, wie die Aufladung des Kondensators dauert. Dreht man den Stromwender nun langsam weiter, so wechseln die Pole, d. h.: zunächst wird der Kondensator entladen und zugleich im umgekehrten Sinne aufgeladen (dabei glimmt das Lämpchen wieder auf). Beim Weiterdrehen wiederholt sich das Spiel. Bei schneller Drehung folgen die Lichtblitze der Lampe so schnell, daß das Auge den Eindruck des dauernden Leuchtens hat. Ebenso wirkt die Wechselspannung des Netzes.

Am Wechselstromnetz brennt die Glimmlampe genau so, als ob statt des Kondensators nur ein Widerstand vor das Lämpchen ge­ schaltet wäre. [33]

49

Im Wechselstromkreis ist der Kondensator keine Unterbrechung, sondern er verhält sich wie ein Widerstand. Man spricht daher auch vom „kapazitiven" Widerstand eines Kondensators zum Unterschied vom „Ohmschen" Widerstand eines Lei­ tungsdrahtes (vgl. S. 23). Wechselstrom kann also durch einen Kondensator geleitet werden. Der Kondensator wird in der Elektrotechnik häufig verwandt, um die auf einer Leitung gemeinsam fließenden Gleich- und Wechselströme zu trennen. Wird in die Leitung ein Kondensator eingeschaltet, so wird der Gleichstrom abgeriegelt, der Wechselstrom geht hindurch. (Vgl. S. 105.) Technische Formen von Kondensatoren Die älteste Form eines Kondensators ist die Kleistsche Flasche (auch Leidener Flasche genannt). Die Innen-und Außenseite eines Glasgefäßes ist mit einer dünnen Metallschicht belegt. Daher tragen die beiden Metallflächen eines Kondensators auch den Namen „Belegung". Kondensatoren ähnlicher Form finden noch heute in der Hochspannungstechnik Verwendung. Um Kondensatoren von großer Kapazität zu schaffen, muß man die Platten sehr groß machen. Da es aus die Dicke der Platten nicht ankommt, sondern nur auf die Fläche, nimmt man, um Raum zu sparen, dünne Metallblätter, die gegeneinander durch dünne Isolatoren (Paraffinpapier) getrennt sind. Diese Metallstreifen, aus beiden Seiten mit Paraffinpapier belegt, werden zu einer Rolle ausgewickelt und die Zuleitungen getrennt herausgesührt. So entsteht ein Wickelkonden­ sator (Abb. 87), der in einem kleinen Metall­ gefäß unterge­ bracht und mit Isoliermasse vergossen wird Abb. 88. Technische Ausführung (Becherkonden­ eines Wickelkondensators (auch Abb. 87. sator, Wb. 88). Aufbau eines Wickelkondensators. Becherkondensator genannt). 4 Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

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Abb. 89. Schnitt durch einen Platten­ kondensator (schematisch).

Bei anderen technischen Kondensa­ toren sind Plattenpakete, die unter­ einander verbunden sind, so zusam­ mengestellt, daß die Gegenplatten in die Zwischenräume eingreisen (Abb. 89). Dadurch wird erreicht, daß der Kondensator wenig Platz einnimmt, obgleich die Gesamtfläche der Platten

verhältnismäßig groß ist. Wb. 90 zeigt die technische Ausführung eines solchen Platten­ kondensators mit einem festen Isolierstoff (Glas, Glimmer), wie er in der Wechselstrom­ technik gebraucht wird. Bringt man die eine Plattengruppe gegenüber der anderen drehbar an, so entsteht der Drehkon-

Abb. 90. Plattenkondensator für Funksender.

Abb. 91. Veränderung der Kapazität beim Drehkon­ densator durch Heraus­ drehen der einen Platten­ gruppe.

densator (Wb. 91). Durch Herausdrehen der Plattengruppe wird die Kapazität vermindert, da jeweils nur der Teil der Platten wirksam ist, der den Nachbarplatten gegenübersteht. Wb. 92 zeigt die technische Ausführung eines neuzeitlichen Drehkondensators, wie er in Funksendern verwendet wird. Bei zu hohen Spannungen kann die Isolierschicht zwischen den Platten durchschlagen werden. Der Kondensator entlädt sich dann in Form eines Funkens, der zwischen den Platten übergeht. Ein Lustkondensator nimmt dabei keinen ernsten Schaden. Anders ist es bei Kondensatoren mit fester Zwischenschicht.

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Der Durchschlag durch die isolierenden Glimmerplättchen oder durch die paraffinierten Papierblätter usw. bedeutet Zerstörung des Kondensators. Durch die einmal durchschlagene Stelle fließen die Elektronen von der einen Belegung zur anderen über, so wie Wasser aus einem Loch im Topf aussickert. Deshalb dürfen Kondensatoren nicht mit höheren Spannungen belastet werden, als ihr Aufdruck angibt. An einen Kondensator mit dem Ausdruck „Maximale Be­ triebsspannung 250 V" (vgl. Abb. 88) dürfen nicht mehr als 250 V angelegt wer­ den, auch wenn der zusätzliche Aufdruck „Prüfspannung 750 V" besagt, daß der Kondensator bei der Prüfung die dreifache Spannung Abb. 92. Technische Ausführung eines Drehkondensators für Funkgeräte. ausgehalten hat. Man kann leicht seststellen, ob ein Kondensator durchgeschlagen ist. Leuchtet in der Schaltung nach Abb. 85 (S. 48) bei angelegter Gleichspannung die Glimmlampe dauernd, so fließt infolge eines Isolationssehlers ein Strom zwischen den Belegungen über. [34] Überblick

1. Zwei durch einen Isolator voneinander getrennte Metallplatten bilden einen Kondensator. 2. Jeder Kondensator hat eine bestimmte Kapazität. Die Kapazi­ tät wird in Farad oder Mikrofarad gemessen. 3. Bei der Ladung fließt auf den Kondensator ein kurzdauernder Ladestrom, bei der Entladung fließt der Entladestrom. 4. Es gibt verschiedene Formen technischer Kondensatoren: z. B. Becherkondensatoren, Plattenkondensatoren, Drehkondensa­ toren. 5. Gleichstrom wird durch den Kondensator gesperrt, Wechselstrom kann durch den Kondensator hindurchslietzen.

II. Wirkungen -es elektrischen Stromes und ihre technischen Anwendungen 8. Wärmewirkungen des elektrischen Stromes Wenn man in einen Stromkreis ein Stück dünnen Draht ein­ schaltet und nun die Stromstärke steigert, so wird der Draht zuerst warm, dann rotglühend, schließlich gerät er in Helle Weißglut, bis er an einer Stelle durchbrennt (Abb. 93). [85] Wiederholt man den Ver­ such, schaltet jetzt aber die Abb. 93. Schaltung zur elektrischen Erhitzung zuletzt benutzte Stromstärke eines Drahtes. sofort ein, so brennt der [86] Draht augenblicklich durch. Diese Eigenschaft des Stromes, bei bestimmter Stromstärke Drähte durchzuschmelzen, benutzt man bei den Schmelzsicherungen.

Die Schmelzsicherung Wird beim Stromdurchgang durch einen Stromkreis der Strom zu groß, etwa durch einen Kurzschluß, so kann die erzeugte Wärme die Isolation schädigen, die Drähte können glühend wer­ den und dadurch sogar Brände entstehen. Unter Kurzschluß ver­ steht man eine ungewollte Überbrückung eines Teiles des Strom­ kreises. Dadurch wird der Widerstand des Stromkreises stark verringert, und es fließen unter Umständen außerordentlich starke Ströme. Um einen Stromkreis gegen zu große Stromstärke zu schützen, unterbricht man ihn an einer Stelle und schaltet in die Unter­ brechung einen dünnen Draht ein, der bei einer bestimmten Stromstärke durchschmilzt.

53 In der Technik wird eine Leitung an ein Stromnetz niemals angefchloffen, ohne eine solche Sicherung einzuschalten. Bei Licht- und Kraftanlagen sind am gebräuchlichsten die Stöp­ selficherungen (Abb. 94). Sie bestehen aus kleinen Porzellan­ körpern (Patronen), die durch ausgesetzte Schraubstöpsel in den Sicherungselementen sestgehalten werden. Auf der einen Seite ragt ein Metallstift heraus und aus der anderen Seite ist eine Metallkappe, die in der Mitte einen far­ bigen Kennkörper (Plättchen) trägt, der Abb. £1. Schnitt durch eine Stöpselsicherung die höchstzulässige Stromstärke kennzeichnet (rot für 10 Ampere, grün für 6 Am­ pere). Abb. 95 zeigt die Sicherungspa­ trone mit dem Kenn­ körper im Schnitt. Die Dicke der Kupfer­ leitungen ist der an der Abb 95. Sicherungspatrone mit Kennkörper: Verbrauchsstelle benöa) Kennkörper an der Patrone, b) und c) Kennköiper tigtenStromstärke an­ nach Durchschmelzen der Sicherung herausgefallen. gepaßt, und die Sicherung wiederum ist entsprechend der Stromstärke ausgewählt, die für den betref­ Übersicht fenden Leitungs­ Dauerbelastung u. Querschnitt in Höchstbelastung draht höchstens mm2 (Kupfer) , Sicherung i.Ampere in Ampere zulässig ist. 6 r 075 9 1 Damit die Si­ 6 12 1,5 10 16 cherung wirksam 15 ' 2,5 21 ist, muß verhin­ 4 27 20 6 25 ■ 35 dert werden, daß 10 48 35 jemand eine für 16 75 60 höhere Strom­ 25 90 80 35 100 110 stärken vorgefeh

54

hene Sicherung einsetzen kann. Die Stöpseldicke der Sicherungs­ patronen ist deshalb verschieden je nach der Stromstärke, für die sie vorgesehen sind. Je höher die zulässige Stromstärke, desto dicker der Stöpsel (Abb. 96). Der Stöpsel paßt in die Aussparung

6 Amp.

70Amp.

75Amp.

Abb. 96. Stöpseldicke für verschiedene Stromstärken-

eines in die Sicherung eingesetzten Paßringes genau hinein, so daß Sicherungen für größere Stromstärken als vorgesehen nicht verwendet werden können. In der Fernmeldetechnik werden andere Arten von SchmelzSand

Asbest

Abb. 97. Grobsicherung für Fernmeldeleitungen.

Abb. 98. Feinsicherung.

sicherungen verwendet. Abb. 97 zeigt eine sogenannte „Grobsiche­ rung". Der Schmelzsaden ist in Sand und Asbest eingebaut, die als Schutz gegen den abschmelzenden Sicherungsdraht dienen. In Mb. 98 findet sich eine „Feinsicherung", die schon bei geringen Stromstärkeüberschrei­ tungen abschmilzt. An den Kon­ taktmessern sind Schrauben­ Metallkappen federn angebracht, die durch eine Abb. 99. Sicherungspatrone für Kraft­ sehr leicht schmelzende Legierung wagen. Die zulässige Amperezahl ist auf den Kappen aufgedruckt. (Wood'sches Metall) verbunden sind. Bei einer Temperatur von 60° schmilzt das Metallkügelchen, und die Federn schnellen zurück; der Strom ist unterbrochen. In Kraftwagen findet man Sicherungen nach Abb. 99. In der Rinne eines Porzellanstäbchens liegt der Schmelzdraht, der über

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die Metallkappen und Kontaktfedern in den Stromkreis ein­ geschaltet wird. Elektrowärme

Die Stromwärme in dem Leiter entsteht dadurch, daß den Elek­ tronen durch die Moleküle der Durchgang erschwert wird. Die Elektronen reiben sich mit den Molekülen, wobei diese in starke Bewegung geraten. Nach außen hin zeigt sich dies als Erwärmung. Man hat festgestellt, daß die Erwärmung von der Stromstärke abhängig ist. Bei jeder Leitung geht ein Teil der elektrischen Energie durch Erwärmung verloren. Um diese Berlustwärme zu verringern, nimmt man für die Zu­ führungsleitungen des Stromes zu den Geräten immer gute Leiter (dicke Kupferdrähte). Die Stromwärme wird andererseits häufig nutzbar gemacht. Zu diesen Zwecken werden besondere Widerstandsdrähte ver­ wendet, die aus bestimmten Metall-Legierungen*) bestehen und eine andauernde Erhitzung vertragen. Im täglichen Leben sowie in der Technik spielen die elektrischen Heiz- und Kochapparate heute eine große Rolle. Als Heizdraht verwendet man meist Chromnickel, eine Legierung, die sich durch einen hohen Schmelzpunkt und einen großen elektrischen Widerstand auszeichnet (vgl. S. 23). Als Draht oder Band wird Chromnickel auf Isolierkörper, Glimmer, Por­ zellan oder Keramikstoffe ausgespannt oder aufgewickelt und außerdem in eine wärmebeständige Isoliermasse eingebaut. So erhält man „Heizwiderstände". Bei den Heizkörpern dauert es nur kurze Zeit, bis die Wider­ standsdrähte glühen, d. h. die Geräte warm werden. Diese Zeit nennt man die Anheiz-Zeit. Manche Geräte sind mit selbsttätigen Wärmereglern aus­ gestattet, wie heizbare Windschutzscheiben bei Kraftwagen, Bügel­ eisen, Heizkissen, Warmwasserbereiter. Bei zu hoher Temperatur wird der Strom selbsttätig aus- und bei niedriger Temperatur wieder eingeschaltet. *) Eine Legierung ist eine Schmelze aus verschiedenen Metallen, z. B. Messing aus Kupfer und Zink, Weichlot aus Blei und Zinn, Bronze aus Kupfer und Zinn.

56 Diese Wärmeregler beruhen auf einem ähnlichen Grundgedanken wie ein Gerät, das neuerdings als Ersatz für die Schmelzsicherung benutzt wird. Wird die Stromstärke zu groß, so erwärmt sich ein „B i m e t a l l s t r e i f e n" (vgl. S. 86). Dieser besteht aus zwei aufeinander gelöteten Streifen zweier Metalle, die bei Erwärmung sich verschieden stark ausdehnen. Der Bimetallstreifen biegt sich also bei Erwärmung und trennt dadurch einen Schalter. Derartige Geräte heißen Selbstschalter.

Abb. 100. Tauchsieder.

Zum schnellen Erhitzen Kleinerer FlüssigKeitsmengen in einem beliebigen Gefäß dient der Tauchsieder (Abb. 100). Der Heizkörper ist wasserdicht abge­ schlossen und muß ganz in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Der Tauchsieder gibt fast seine gesamte Wärme an die Flüssigkeit ab, hat also ganz geringe Wärmeverluste. In seiner Gebrauchsanweisung heißt es: „Erst eintauchen, dann einschalten! Bor dem Her­ ausnehmen abschatten!" Abb. 101. Wtderstandsplatte Abb. 101 zeigt den Heiz­ eines Bügeleisenwiderstandes, widerstand eines Bügeleisens zwischen Äsolierplatten (I).

Der elektrische Lichtbogen

Man Kann schon im kleinen öfters elektrische Flammen- oder Lichtbogen beobachten, z.B. beim Ausschalten eines Stromkreises. Die austretenden Flammen sind bei starken Strömen schon recht unangenehm. Die Schaltkontakte eines großen Schalters zeigen oft die Spuren. Der Techniker spricht vöm Verschmoren. Technisch ausgenutzt wird der Lichtbogen, der sich zwischen zwei Kohlenstäben bildet. Die Kohle des positiven Poles brennt schneller ab. Deswegen nimmt man dafür dickere Kohlen. An der Kohle des positiven Poles bildet sich ein Kra­ Abb. 102. ter, während die negative Kohle Lichtbogen zwischen zwei Kohlestäben. sich zuspitzt (Mb. 102). Das Entstehen des Kohlelichtbogens geht folgendermaßen vor

57 sich: Zuerst werden die beiden leitenden Kohlestäbe zur Berüh­ rung gebracht. Entfernt man nun die beiden Stäbe voneinander, so geht zwischen den Spitzen ein Flammenbogen über. Wegen des großen Widerstandes an der Unterbrechungsstelle werden die Kohlespitzen zur Weißglut erhitzt. Die Lust zwischen den Spitzen wird bei der hohen Temperatur leitend, so daß der Lichtbogen bestehen bleibt. Die glühenden Teile der Kohlestäbe, vor allem aber der positive Krater strahlen ein sehr Helles Licht aus. Die starke Leuchtkraft des elektrischen Kohlelichtbogens benutzt man bei den für manche Zwecke gebrauchten Kohlebogenlämpen, vor allen Dingen bei den Scheinwerfern (Flakscheinwerfer, Marinescheinwerfer, Kinolampen). t37l Im Augenblick der Berührung der Kohlenstäbe entsteht praktisch ein Kurz­ schluß. Da hierbei der Strom sehr groh wird, muß zur Verringerung der Strom­ stärke ein Widerstand vorgeschaltet sein, da sonst die Sicherungen durchschlagen.

Der elektrische A'o/z/ee/ekfrocfe Flammenbogen dient weiterhin da­ zu, schwer schmelz­ bare Metalle zu ver­ flüssigen. Dies ge­ schieht im elektri­ schen Schmelzofen (Abb. 103). Der Elek tro stahl ist eine Stahlsorte, die aus diesem Wege hergestellt wirb. Abb. 103. Schnitt durch einen Elektroschmelzofen. Beim elektrischen Schweitzversahren benutzt man den elektrischen Flammenbogen, der zwischen dem Schweißgut und dem zu schweißenden Metall entsteht. Der Schweißer berührt mit dem Metallstab, der mit dem einen Pol der Stromquelle verbunden ist, während der andere Pol am bearbeiteten Werkstück liegt, die zu schweißenden Metallstücke und bringt das im elektrischen Flammenbogen schmelzende Metall auf die Schweißnaht. Weitere Schweißverfahren vgl. S. 120. Das elektrische Schweißverfahren spielt heute in der Technik eine sehr große Rolle. Während man früher Metallslächen zusam-

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menschrauben oder nieten mußte, werden sie heute zusammen­ geschweißt. Bei einer guten Schweißung ist die Schweißstelle genau so fest wie jeder andere Teil des zu schweißenden Gegenstandes.

Die elektrische Glühlampe Die Lichterscheinungen, die beim Glühen von Drähten auftreten, werden praktisch in den Glühlampen verwertet. Der Erfinder ist der Deutsche Heinrich Goebel, der im Jahre 1854 die ersten Glühlampen herstellte. Etwa 25 Jahre später hat der Amerikaner E d i s o n sie technisch so weit vervollkommnet, daß sie in den all­ gemeinen Gebrauch genommen werden konnten. In früherer Zeit bestanden die Glühlampen aus einem Glaskolben, in der sich ein Kohlefaden befand. Um das Verbrennen des Kohlesadens zu ver­ hindern, wurde die Lust aus der Glasglocke herausgesaugt. Später lernte man nach mühsamen und langjährigen Forschungsarbeiten Metalldrähte benutzen, die heute ausschließlich aus dem schwer schmelzbaren Metall „Wolfram" hergestellt werden. Abb. 104 zeigt die Feinheit der benutzten Wolsramsäden. ITH

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